RU2509299C1 - Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors - Google Patents
Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2509299C1 RU2509299C1 RU2012127170/28A RU2012127170A RU2509299C1 RU 2509299 C1 RU2509299 C1 RU 2509299C1 RU 2012127170/28 A RU2012127170/28 A RU 2012127170/28A RU 2012127170 A RU2012127170 A RU 2012127170A RU 2509299 C1 RU2509299 C1 RU 2509299C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- adatoms
- substrate
- atoms
- peaks
- energy
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области наноэлектроники, эмиссионной электроники, каталитической химии и может быть использовано при разработке гетероструктур на квантовых ямах, структур с дельта-легированием, новых типов пленочных эмиттеров, новых катализаторов для химической промышленности, а также при изучении прочностных свойств композитных и поликристаллических материалов.The invention relates to the field of nanoelectronics, emission electronics, catalytic chemistry and can be used in the development of heterostructures in quantum wells, structures with delta doping, new types of film emitters, new catalysts for the chemical industry, as well as in studying the strength properties of composite and polycrystalline materials.
Известен рентгенофазовый способ анализа химического состава поверхности облучением и регистрацией отраженного рентгеновского излучения от анализируемой поверхности. По химическому фазовому составу определяется в каком химическом состоянии и соответственно в каком зарядовом состоянии находятся анализируемый тип атомов [Рентгеноспектральный метод изучения структуры аморфных тел. EXAFS - спектроскопия /Кочубей Д.И., Бабанов Ю.А., Замараев К.И. и др.// Под ред. Г.М.Жидомирова. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1988. - 306 с.].Known x-ray phase analysis of the chemical composition of the surface by irradiation and registration of reflected x-ray radiation from the analyzed surface. According to the chemical phase composition, it is determined in which chemical state and, accordingly, in which charge state the type of atoms being analyzed is [X-ray spectral method for studying the structure of amorphous bodies. EXAFS - spectroscopy / Kochubey D.I., Babanov Yu.A., Zamaraev K.I. et al. // Ed. G.M.Zhidomirova. Novosibirsk: Science. Sib. Separation. 1988. - 306 p.].
Недостатком известного способа является большая толщина (более микрона) анализируемого слоя.The disadvantage of this method is the large thickness (more than microns) of the analyzed layer.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ определения зарядового состояния субнанослойных пленок адатомов на поверхности металлов и полупроводников, заключающийся в облучении поверхности корпускулярным потоком, регистрации энергетического спектра потока заряженных частиц, отлетающих от поверхности, и по величине энергии заряженных частиц в спектре судят о типе и о зарядовом состоянии адатомов поверхности [Карлсон Т.А. Фотоэлектронная и оже - электронная спектроскопия. /Пер. с англ. И.А.Брытова, Н.И.Комякова, В.В.Кораблева. - Л-д: Машиностроение, 1981. - 431 с.].Closest to the proposed method is a method for determining the charge state of subnanolayer films of adatoms on the surface of metals and semiconductors, which consists in irradiating the surface with a corpuscular stream, recording the energy spectrum of the stream of charged particles flying away from the surface, and the type and charge state of surface adatoms [T. Carlson Photoelectron and Auger - electron spectroscopy. / Per. from English I.A. Brytova, N.I. Komyakova, V.V. Korableva. - L-d: Mechanical Engineering, 1981. - 431 p.].
В известном способе облучение поверхности осуществляется рентгеновским пучком, а регистрируются вылетающие фотоэлектроны (рентгеноэлектроны) с глубоких энергетических уровней атомов. Поведение валентного электрона (уход-приход) сказывается на величине энергии глубоких уровней и отражается на положении пиков глубоких уровней в энергетическом спектре. По сдвигам пиков в спектре судят о зарядовом состоянии атомов поверхности.In the known method, surface irradiation is carried out by an X-ray beam, and the emitted photoelectrons (X-ray electrons) from the deep energy levels of atoms are recorded. The behavior of the valence electron (departure-arrival) affects the energy of deep levels and affects the position of the peaks of deep levels in the energy spectrum. The shifts of the peaks in the spectrum judge the charge state of surface atoms.
Недостатком известного способа является большая глубина анализируемого слоя, составляющая в среднем около 40 Å или 4 нм. При размере атома около 3 Å неопределенность нахождения анализируемых атомов по глубине от поверхности составит более 10 атомных слоев. При формировании квантовых ям, эффективных эмиттеров или катализаторов уход адатомов во второй атомный слой полностью исключает ожидаемый результат. Известно также, что сегрегация серы или фосфора на границе между зернами в поликристалле резко снижает его прочностные свойства. Действие катализаторов обусловлено химической активностью первого, внешнего монослоя атомов поверхности. Известный способ из-за большой глубины анализа имеет низкую достоверность анализа при определении глубины расположения адатомов.The disadvantage of this method is the large depth of the analyzed layer, which averages about 40 Å or 4 nm. With an atom size of about 3 Å, the uncertainty of finding the analyzed atoms in depth from the surface will be more than 10 atomic layers. In the formation of quantum wells, effective emitters, or catalysts, the passage of adatoms into the second atomic layer completely eliminates the expected result. It is also known that the segregation of sulfur or phosphorus at the interface between grains in a polycrystal sharply reduces its strength properties. The action of the catalysts is due to the chemical activity of the first, outer monolayer of surface atoms. The known method due to the large depth of analysis has a low reliability of the analysis when determining the depth of the location of the adatoms.
Технический результат направлен на уменьшение глубины анализируемого слоя и повышение достоверности результатов анализа.The technical result is aimed at reducing the depth of the analyzed layer and increasing the reliability of the analysis results.
Технический результат достигается тем, что в способе определения зарядового состояния адсорбированных атомов (адатомов) в субнанослойных пленках на поверхности металлов и полупроводников, заключающемся в облучении поверхности корпускулярным потоком, регистрации энергетического спектра потока заряженных частиц, отлетающих от поверхности, и определении по величине энергии заряженных частиц в спектре зарядового состояния адатомов поверхности, при этом поверхность анализируемого объекта облучают ионами инертных газов низких энергий, регистрируют энергетический спектр отраженных ионов от поверхности, измеряют энергетическое положение и величины пиков адатомов субнанослойной пленки и пиков атомов адсорбента (подложки) в энергетическом спектре отраженных ионов, по энергетическому положению пиков в спектре определяют типы адатомов и атомов подложки, затем такие измерения проводят на тест-объекте с различными концентрациями адатомов в пределах от чистой поверхности адсорбента (подложки) до одного моноатомного слоя, далее определяют зависимости величин пиков тест-подложки и адатомов от концентрации адатомов, по отношениям величин пиков адатомов и подложки анализируемого объекта и тест-объекта соответственно определяют концентрацию адатомов на поверхности анализируемого объекта, затем с использованием спектров для чистых массивных материалов подложки и адатомов по линейной экстраполяции определяют величины пиков для найденных концентраций, затем по отношениям измеренных пиков адатомов и подложки анализируемого объекта к линейно-экстраполированным величинам пиков определяют зарядовое состояние адатомов и атомов подложки (адсорбента).The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the charge state of adsorbed atoms (adatoms) in subnanolayer films on the surface of metals and semiconductors, which consists in irradiating the surface with a corpuscular stream, recording the energy spectrum of the stream of charged particles flying off the surface, and determining the value of the energy of charged particles in the spectrum of the charge state of surface adatoms, while the surface of the analyzed object is irradiated with low-energy inert gas ions, register the energy spectrum of reflected ions from the surface, measure the energy position and peak values of the adatoms of the subnanolayer film and the peaks of adsorbent atoms (substrates) in the energy spectrum of the reflected ions, determine the types of adatoms and substrate atoms from the energy position of the peaks in the spectrum, then such measurements are carried out on a test object with different concentrations of adatoms ranging from the clean surface of the adsorbent (substrate) to one monoatomic layer, then determine the dependence of the peak values of the test temperature of adatoms and adatoms, the concentration of adatoms on the surface of the analyzed object is determined from the ratios of the peak values of the adatoms and the substrate of the analyzed object and the test object, then, using the spectra for pure bulk substrate materials and adatoms, the peak values for the found concentrations are determined by linear extrapolation, then, according to the ratios of the measured peaks of the adatoms and the substrate of the analyzed object to the linearly extrapolated peak values, the charge state is determined of adatom and substrate atoms (adsorbent).
На Фиг.1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.Figure 1 presents a diagram of a device for implementing the proposed method.
На Фиг.2 приведен спектр рассеянных ионов неона от поверхности чистого арсенида галлия (зависимость тока рассеянных ионов от энергии рассеянных ионов).Figure 2 shows the spectrum of scattered neon ions from the surface of pure gallium arsenide (dependence of the current of scattered ions on the energy of scattered ions).
На Фиг.3 приведен спектр рассеянных ионов неона от поверхности арсенида галлия, покрытой моноатомной пленкой цезия (зависимость тока рассеянных ионов от энергии рассеянных ионов).Figure 3 shows the spectrum of scattered neon ions from the surface of gallium arsenide coated with a monoatomic cesium film (the dependence of the current of scattered ions on the energy of scattered ions).
На Фиг.4 приведены зависимости величин пиков подложки из арсенида галлия (мышьяка и галлия) и атомов пленки (цезия) от степени покрытия поверхности атомами цезия в пределах от чистой поверхности до одного моноатомного слоя цезия: Iлин 100%Cs - величина пика чистого материала цезия; Iлин Сs - линейно-экстраполированная зависимость пика цезия от степени покрытия поверхности GaAs атомами Cs; Iлин As, Iлин Ga - линейно-экстраполированные зависимости пиков мышьяка и галлия от степени покрытия поверхности GaAs атомами Cs.Figure 4 shows the dependences of the peak values of the gallium arsenide substrate (arsenic and gallium) and film atoms (cesium) on the degree of coverage of the surface with cesium atoms ranging from a clean surface to one monoatomic cesium layer: I lin 100% Cs is the peak value of pure material cesium; I lin Cs - linearly extrapolated peak cesium dependence on the degree of surface coverage GaAs Cs atoms; I lin As , I lin Ga — linearly extrapolated dependences of arsenic and gallium peaks on the degree of coverage of the GaAs surface by Cs atoms.
Анализируемый объект (далее - объект) представляет собой адсорбент (далее - подложка) (какой-либо металл или полупроводник) с пленкой суб-нанослойной толщины - с адсорбированными атомами (далее - адатомы) на поверхности с концентрацией меньше моноатомного слоя (далее - монослой). Свойства объекта с моно- и субмонослойными покрытиями в значительной мере зависят от того, в ионном или в нейтральном состоянии находятся адатомы на поверхности. Предлагаемое изобретение направлено на определение зарядового состояния адатомов на поверхности.The analyzed object (hereinafter referred to as the object) is an adsorbent (hereinafter referred to as a substrate) (any metal or semiconductor) with a film of sub-layer thickness — with adsorbed atoms (hereinafter referred to as adatoms) on a surface with a concentration lower than the monoatomic layer (hereinafter referred to as the monolayer) . The properties of an object with mono- and submonolayer coatings largely depend on whether adatoms on the surface are in the ionic or neutral state. The present invention is directed to determining the charge state of adatoms on the surface.
Устройство для реализации способа (Фиг.1) содержит вакуумную измерительную камеру 1 с аналитическими устройствами и измерительную систему 7. В вакуумной камере расположены вакуумный манипулятор с держателем 2 для анализируемого объекта 3, ионная пушка 4, энергетический анализатор 5 и молекулярный источник 6. Измерительная система 7 содержит импульсный усилитель 8 и регистрирующее устройство 9.A device for implementing the method (FIG. 1) comprises a vacuum measuring chamber 1 with analytical devices and a measuring system 7. In the vacuum chamber there is a vacuum manipulator with a holder 2 for the analyzed object 3, an ion gun 4, an energy analyzer 5 and a molecular source 6. Measuring system 7 contains a pulse amplifier 8 and a recording device 9.
Ионная пушка 4 предназначена для облучения анализируемой поверхности пучком ионов низких энергий с заданной массой и энергией. Энергетический анализатор 5 с коллектором в виде вторичного электронного умножителя предназначен для выделения энергетического спектра из потока ионов, рассеянных от поверхности с разными энергиями и под разными углами. Молекулярный источник 6 служит для моделирования формирования субнанослойных пленок адсорбированных атомов (далее - адатомов). Измерительная система 7 имеет широкополосный импульсный усилитель 8, соединенный с коллектором анализатора и регистрирующее устройство 9 для усиления и счета импульсов.Ion gun 4 is designed to irradiate the analyzed surface with a beam of low-energy ions with a given mass and energy. An energy analyzer 5 with a collector in the form of a secondary electron multiplier is designed to extract the energy spectrum from a stream of ions scattered from the surface with different energies and at different angles. Molecular source 6 serves to simulate the formation of subnanolayer films of adsorbed atoms (hereinafter referred to as adatoms). The measuring system 7 has a broadband pulse amplifier 8 connected to the collector of the analyzer and a recording device 9 for amplification and pulse counting.
Принцип действия устройства для анализа субнанослоев. С помощью ионной пушки 4 анализируемая поверхность облучается ионным пучком низких энергий Е=100-10000 эВ. Часть падающих на поверхность ионов рассеиваются (отражаются) от атомов поверхности под разными углами с разными энергиями в результате однократного парного упругого соударения с атомами поверхности без изменения внутреннего состояния иона и атома поверхности. При таком соударении иона с атомом из-за сравнимости их масс происходит изменение их кинетических энергий. Налетающий ион в результате соударения передает часть энергии атому и его траектория отклоняется от первоначального положения на определенный угол (угол рассеяния). Величина передаваемой энергии тем больше, чем легче атом поверхности. Измерив энергию рассеянных под определенным углом ионов и зная массу и начальную энергию иона и угол рассеяния от первоначального направления, можно по формулам парного соударения шаров определить массу атомов поверхности, от которых рассеиваются ионы.The principle of operation of the device for the analysis of subnanolayers. Using the ion gun 4, the analyzed surface is irradiated with an ion beam of low energy E = 100-10000 eV. Some of the ions incident on the surface are scattered (reflected) from surface atoms at different angles with different energies as a result of a single pair of elastic collisions with surface atoms without changing the internal state of the ion and atom of the surface. With this collision of an ion with an atom, due to the comparability of their masses, their kinetic energies change. As a result of the collision, the incident ion transfers part of the energy to the atom and its trajectory deviates from the initial position by a certain angle (scattering angle). The magnitude of the transmitted energy is greater, the lighter the atom of the surface. By measuring the energy of ions scattered at a certain angle and knowing the mass and initial ion energy and the scattering angle from the initial direction, it is possible to determine the mass of surface atoms from which ions are scattered by the pair collision formulas.
Энергетический спектр регистрируется с помощью анализатора 5, усилителя 8 и регистрирующего устройства 9. Спектр представляет собой зависимость интенсивности потока рассеянных ионов на выходе анализатора от энергии ионов. Спектр содержит пики, энергии которых соответствуют типам атомов поверхности. Начальная энергия ионов ниже 10 кэВ обеспечивает из-за большого сечения взаимодействия ионов с атомом поверхности рассеяние в результате однократного соударения только от атомов внешнего монослоя, точнее «видимого ионом» слоя атомов, когда траекторию иона при подлете и отлете не искажают соседние атомы, мимо которых пролетает ион. Для такого положения подбираются соответствующие режимы анализа. В общем случае, при рассеянии ионов от атомов второго и более слоев первые слои искажают траекторию иона (изменяют его угол полета и энергию) и выводят его из пика в фоновый сигнал. Вследствие этого рассеяние в результате парного соударения происходит только от одного внешнего монатомного слоя, и пики в спектре формируются только такими отраженными ионами. На Фиг.2 и 3 приведены спектры чистой поверхности арсенида галлия и поверхности, покрытой моноатомной пленкой цезия. Атомы цезия полностью экранируют атомы подложки. Величина пика зависит от концентрации атомов поверхности и их сечения взаимодействия (рассеяния), а в целом, от занимаемой ими площади. Чем больше адатомов на поверхности, тем больше пик в спектре и тем меньше пик атомов подложки. Величина пика также определяется вероятностью сохранения заряда ионом при рассеянии. При соударении иона с атомом поверхности происходит обмен зарядами, то есть перераспределение валентных электронов, чаще всего одного электрона. Если ион сталкивается с нейтральным атомом поверхности, то из-за большой разницы в потенциалах ионизации имеется большая вероятность перехода валентного электрона атома поверхности в ион. В результате этого ион отлетает от поверхности в нейтральном состоянии. При ионизованном состоянии атома поверхности вероятность нейтрализации иона мала. Кроме пиков парного рассеяния, определяющих массы атомов внешнего монослоя поверхности, в спектре содержатся фоновый сигнал рассеянных ионов в результате многократных соударений. Для уменьшения фона используются ионы инертных газов. Из-за большого потенциала ионизации ионов их нейтрализация при многократных соударениях сводит фоновый сигнал к несущественной величине. Измерительная система 7 обеспечивает измерение интенсивности потоков регистрируемых ионов до 2-5 ионов в секунду.The energy spectrum is recorded using an analyzer 5, an amplifier 8, and a recording device 9. The spectrum is the dependence of the scattered-ion flux intensity at the analyzer output on the ion energy. The spectrum contains peaks whose energies correspond to the types of surface atoms. Due to the large cross section for the interaction of ions with an atom of the surface, the initial ion energy below 10 keV ensures scattering as a result of a single collision from atoms of the outer monolayer, more precisely, an atomic layer “visible by the ion”, when neighboring atoms do not distort the trajectory of the ion upon approach and departure, past which an ion flies. For this situation, appropriate analysis modes are selected. In the general case, when ions are scattered from atoms of the second or more layers, the first layers distort the trajectory of the ion (change its angle of flight and energy) and remove it from the peak in the background signal. As a result of this, scattering as a result of pairwise collision occurs from only one external monatomic layer, and peaks in the spectrum are formed only by such reflected ions. Figures 2 and 3 show the spectra of the clean surface of gallium arsenide and the surface coated with a monoatomic cesium film. Cesium atoms completely shield the atoms of the substrate. The magnitude of the peak depends on the concentration of surface atoms and their interaction (scattering) cross sections, and, on the whole, on the area occupied by them. The more adatoms on the surface, the larger the peak in the spectrum and the smaller the peak of the substrate atoms. The peak value is also determined by the probability of the conservation of charge by the ion during scattering. When an ion collides with a surface atom, an exchange of charges occurs, that is, a redistribution of valence electrons, most often one electron. If an ion collides with a neutral atom of the surface, then due to the large difference in the ionization potentials, there is a high probability of the transition of the valence electron of the surface atom into an ion. As a result, the ion flies off the surface in a neutral state. In the ionized state of a surface atom, the probability of ion neutralization is small. In addition to the pair scattering peaks, which determine the atomic masses of the outer monolayer of the surface, the spectrum also contains the background signal of scattered ions as a result of multiple collisions. Inert gas ions are used to reduce the background. Due to the large ionization potential of the ions, their neutralization during multiple collisions reduces the background signal to an insignificant value. The measuring system 7 provides a measurement of the intensity of the recorded ion flux up to 2-5 ions per second.
Ионный пучок формируется из ионов инертного газа с большим потенциалом ионизации. Это увеличивает нейтрализацию ионов при двух и более кратных соударениях, соответственно позволяет уменьшить фоновый сигнал многократно рассеянных ионов и повысить чувствительность анализа, то есть снизить предел обнаружения адатомов поверхности до сотых и тысячных долей моноатомного слоя. При этом считается, что из-за большого потенциала ионизации ионов инертных газов и большого значения коэффициента нейтрализации вероятность сохранения заряда изменяется мало.An ion beam is formed from inert gas ions with a large ionization potential. This increases the neutralization of ions in two or more multiple collisions; accordingly, it allows one to reduce the background signal of multiply scattered ions and increase the sensitivity of analysis, i.e., reduce the detection limit of surface adatoms to hundredths and thousandths of a monatomic layer. It is believed that due to the large ionization potential of inert gas ions and the large value of the neutralization coefficient, the probability of conservation of charge changes little.
Порядок регистрации спектров с помощью устройства для реализации предлагаемого способа. В вакуумную камеру 1 на держатель манипулятора 2 размещается анализируемый объект 3. Затем проводят подготовку поверхности для проведения анализа. Подготовленная поверхность объекта, покрытая адатомами, облучается ионами инертного газа (гелий или неон) с заданной энергией с помощью ионной пушки 4. При этом одновременно регистрируется энергетический спектр рассеянных ионов от поверхности объекта с помощью анализатора 5. Интенсивность потока ионов на выходе энергетического анализатора составляет менее 10-12 Ǻ, то есть менее 107 ионов в сек. Поэтому измерения проводятся в режиме счета отдельных ионов с помощью вторичного электронного умножителя, входящего в состав анализатора 5, импульсного (широкополосного) усилителя 8 и регистрирующей системы 9, измеряющего число импульсов в секунду (а соответственно число ионов выделенной анализатором энергии). Для подготовки тест-объекта с субнанослойной пленкой адатомов на месте, в камере расположен молекулярный источник 6 для напыления адатомов на тест-подложку.The procedure for registering spectra using a device for implementing the proposed method. The analyzed object 3 is placed in the vacuum chamber 1 on the holder of the manipulator 2. Then, the surface is prepared for analysis. The prepared surface of the object, covered with adatoms, is irradiated with inert gas ions (helium or neon) with a given energy using an ion gun 4. At the same time, the energy spectrum of scattered ions from the surface of the object is recorded using an analyzer 5. The ion flux at the output of the energy analyzer is less than 10 -12 Ǻ, i.e. less than 10 7 ions per second. Therefore, the measurements are carried out in the mode of counting individual ions using a secondary electron multiplier, which is part of the analyzer 5, a pulse (broadband) amplifier 8, and a recording system 9, which measures the number of pulses per second (and, accordingly, the number of ions released by the energy analyzer). To prepare a test object with a subnanolayer film of adatoms in place, a molecular source 6 is located in the chamber for spraying adatoms onto the test substrate.
Способ осуществляется следующим образом. Анализируемый объект 3 размещают в вакуумной измерительной камере 1 на держателе манипулятора 2. С помощью ионной пушки 4, энергетического анализатора 5 и измерительной системы 7 с усилителем 8 и регистрирующим устройством 9 регистрируют энергетический спектр анализируемой поверхности. А именно положение пиков по энергиям и величины пиков. По энергетическому положению пиков в спектре определяют типы адатомов и атомов подложки. Затем размещают вместо анализируемого объекта тест-объект (тест-подложку) с чистой поверхностью без адатомов и регистрируют энергетический спектр поверхности. Далее с равномерной интенсивностью по времени и по площади напыляют на поверхность тест-подложки из молекулярного источника 6 адатомы анализируемой пленки толщиной до одного атомного слоя. В процессе напыления периодически регистрируют энергетические спектры поверхности при разных поверхностных концентрациях адатомов тест-объекта. Далее определяют зависимости величин пиков тест-подложки и адатомов от концентрации адатомов. По отношениям величин пиков адатомов и подложки анализируемого объекта и тест-объекта определяют концентрацию адатомов на поверхности анализируемого объекта. С использованием атласа спектров рассеянных ионов или путем регистрации спектров для чистых материалов по линейной экстраполяции определяют величины пиков для найденных концентраций. По отношениям измеренных пиков подложки и адатомов анализируемого объекта к линейно-экстраполированным величинам пиков определяют зарядовое состояние адатомов и атомов подложки (адсорбента). Если адатомы на поверхности находятся в состоянии металлической связи, то есть полностью ионизованы, как атомы решетки металла, то отношение (Iлин/Iизм)адатом=1. Если это отношение больше единицы, то валентный электрон адатома с некоторой вероятностью находится в атоме. Величина этой вероятности зависит от многих факторов.The method is as follows. The analyzed object 3 is placed in a vacuum measuring chamber 1 on the holder of the manipulator 2. Using the ion gun 4, an energy analyzer 5 and a measuring system 7 with an amplifier 8 and a recording device 9, the energy spectrum of the analyzed surface is recorded. Namely, the position of the peaks in energy and the magnitude of the peaks. The energy position of the peaks in the spectrum determines the types of adatoms and substrate atoms. Then, instead of the analyzed object, a test object (test substrate) with a clean surface without adatoms is placed and the energy spectrum of the surface is recorded. Then, with uniform intensity in time and area, the adatoms of the analyzed film with a thickness of up to one atomic layer are sprayed onto the surface of the test substrate from the molecular source 6. In the process of sputtering, the surface energy spectra are periodically recorded at different surface concentrations of the adatoms of the test object. Next, determine the dependence of the peak values of the test substrate and adatoms on the concentration of adatoms. The ratios of the peak values of the adatoms and the substrate of the analyzed object and the test object determine the concentration of adatoms on the surface of the analyzed object. Using the atlas of the spectra of scattered ions or by recording the spectra for pure materials by linear extrapolation, peak values are determined for the concentrations found. The ratios of the measured peaks of the substrate and the adatoms of the analyzed object to the linearly extrapolated peak values determine the charge state of the adatoms and atoms of the substrate (adsorbent). If adatoms on the surface are in metallic connection that is completely ionized, both metal lattice atoms, the ratio (I lin / I meas) = 1 adatom. If this ratio is greater than unity, then the valence electron of the adatom is with some probability in the atom. The magnitude of this probability depends on many factors.
Зависимость пика материала подложки при равномерном напылении адатомов любого типа до одного монослоя уменьшается от величины пика для чистой поверхности до нуля линейно. Величина пика адатомов, наоборот, увеличивается линейно - от нуля до значения пика для чистого массивного материала. Известно, что атомы решетки в металлах ионизованы. Поэтому для чистых материалов, например для вольфрама, величина пика в спектре характеризует ионизованное состояние атомов. Зарядовое состояние адатомов при малых поверхностных концентрациях определяется соотношением потенциалов ионизации адатомов и адсорбента (подложки). Аналогичным образом определяется величина пика ионного состояния адсорбированных атомов металла. Для ряда металлов пик ионного состояния может быть определен измерениями состава солей, в которых металлы всегда ионизованы. Поэтому линейные зависимости изменений величин пиков для ионного состояния могут быть измерены. Так как устройства для регистрации спектров могут быть прокалиброваны по измерительным тест-объектам, то для различных материалов адсорбента и адсорбата составляется атлас спектров чистых материалов. Кроме того, дополнительно можно составить атласы зависимостей пиков адсорбата и адсорбента для практически используемых пар.The dependence of the peak of the substrate material upon uniform deposition of any type of adatoms to one monolayer decreases from the peak value for a clean surface to zero linearly. The magnitude of the peak of adatoms, on the contrary, increases linearly - from zero to the peak value for pure bulk material. It is known that lattice atoms in metals are ionized. Therefore, for pure materials, for example, for tungsten, the peak value in the spectrum characterizes the ionized state of atoms. The charge state of adatoms at low surface concentrations is determined by the ratio of the ionization potentials of the adatoms and the adsorbent (substrate). Similarly, the peak value of the ionic state of adsorbed metal atoms is determined. For a number of metals, the peak of the ionic state can be determined by measuring the composition of the salts in which the metals are always ionized. Therefore, linear dependences of changes in peak values for the ionic state can be measured. Since devices for recording spectra can be calibrated using measuring test objects, an atlas of spectra of pure materials is compiled for various adsorbent and adsorbate materials. In addition, it is additionally possible to compile atlases of the dependences of the peaks of the adsorbate and adsorbent for practically used pairs.
При изменении зарядового состояния адатома от ионного к нейтральному нейтрализационная способность адатомов значительно увеличивается. Поэтому пик рассеянных ионов от нейтральных атомов меньше, чем пик рассеянных ионов от атомов, находящихся в ионном состоянии, то есть без валентного электрона. Если в зависимости от концентрации на поверхности зарядовое состояние адатомов изменяется, то зависимость пика от концентрации отклоняется от линейной закономерности. При этом если адатом находится в ионном состоянии, то его валентный электрон оказывается на поверхности подложки (адсорбента), и пик материала подложки будет меньше пика в отсутствие влияния электрона.When the charge state of the adatom changes from ionic to neutral, the neutralization ability of adatoms increases significantly. Therefore, the peak of scattered ions from neutral atoms is less than the peak of scattered ions from atoms in the ionic state, that is, without a valence electron. If, depending on the concentration on the surface, the charge state of the adatoms changes, then the dependence of the peak on the concentration deviates from a linear regularity. Moreover, if the adatom is in the ionic state, then its valence electron appears on the surface of the substrate (adsorbent), and the peak of the substrate material will be less than the peak in the absence of electron influence.
На примере экспериментального исследования системы «адатомы цезия - арсенид галлия)» Cs - [GaAs] показано (Фиг.4), что при монослойной пленке цезия Iлин 100%Сs это отношение составляет (Iлин/Iизм)Cs≈3. Промежуточные состояния 1<(Iлин/Iизм)Сs<3 говорят о частичной ионизации цезия, то есть валентный электрон цезия с определенной вероятностью w≈1/(Iлин/Iизм)Cs локализован на атоме цезия.On the example of an experimental study of the system “cesium adatoms - gallium arsenide)" Cs - [GaAs] it is shown (Figure 4) that with a monolayer cesium film I lin 100% Cs this ratio is (I lin / I meas ) Cs ≈ 3. Intermediate states 1 <(I lin / I meas. ) Cs <3 indicate partial cesium ionization, i.e., the valence electron of cesium with a certain probability w≈1 / (I lin / I meas. ) Cs is localized on the cesium atom.
Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов показал, что глубина анализа известного способа больше 10 атомных слоев, а глубина анализа предлагаемого способа 1 монослой, что достоверность анализа по глубине (толщине пленки) для объектов с субмонослойными покрытиями обеспечивается до 100%.A comparative analysis of the known and proposed methods showed that the depth of analysis of the known method is more than 10 atomic layers, and the depth of analysis of the proposed method is 1 monolayer, that the reliability of the analysis in depth (film thickness) for objects with submonolayer coatings is provided up to 100%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012127170/28A RU2509299C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012127170/28A RU2509299C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012127170A RU2012127170A (en) | 2014-01-10 |
| RU2509299C1 true RU2509299C1 (en) | 2014-03-10 |
Family
ID=49884102
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012127170/28A RU2509299C1 (en) | 2012-06-29 | 2012-06-29 | Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2509299C1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2008655C1 (en) * | 1991-02-04 | 1994-02-28 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of element-wise analysis of surface monolayer of materials |
| RU2017143C1 (en) * | 1991-04-23 | 1994-07-30 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of determining elementary composition of solid body |
| EP0646786A1 (en) * | 1993-09-29 | 1995-04-05 | Sumitomo Electric Industries, Limited | Improved ion scattering spectroscopy and apparatus for the same |
| RU2212650C1 (en) * | 2002-09-16 | 2003-09-20 | Калачев Алексей Александрович | Facility to analyze physical and/or chemical properties of surface layer of solid body |
| RU2221236C1 (en) * | 2002-09-16 | 2004-01-10 | Калачев Алексей Александрович | Process of analysis of physical and/or chemical properties of surface layer of solid body ( variants ) |
| US20110266437A1 (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-03 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Method for chemical analysis and apparatus for chemical analysis |
-
2012
- 2012-06-29 RU RU2012127170/28A patent/RU2509299C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2008655C1 (en) * | 1991-02-04 | 1994-02-28 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of element-wise analysis of surface monolayer of materials |
| RU2017143C1 (en) * | 1991-04-23 | 1994-07-30 | Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН | Method of determining elementary composition of solid body |
| EP0646786A1 (en) * | 1993-09-29 | 1995-04-05 | Sumitomo Electric Industries, Limited | Improved ion scattering spectroscopy and apparatus for the same |
| RU2212650C1 (en) * | 2002-09-16 | 2003-09-20 | Калачев Алексей Александрович | Facility to analyze physical and/or chemical properties of surface layer of solid body |
| RU2221236C1 (en) * | 2002-09-16 | 2004-01-10 | Калачев Алексей Александрович | Process of analysis of physical and/or chemical properties of surface layer of solid body ( variants ) |
| US20110266437A1 (en) * | 2010-05-03 | 2011-11-03 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Method for chemical analysis and apparatus for chemical analysis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012127170A (en) | 2014-01-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Brongersmal et al. | Analysis of the outermost atomic layer of a surface by low-energy ion scattering | |
| Gilbert et al. | Invited article: Characterization of background sources in space-based time-of-flight mass spectrometers | |
| Jaeger et al. | Photon-stimulated desorption following deep core-level excitation: O on Mo (100) | |
| Heiland | Ion scattering studies of surface crystallography | |
| Salvi et al. | Comparative spectra illustrating degradation of CaC2O4⋅ H2O during XPS analysis | |
| Holeňák et al. | Sensitive multi-element profiling with high depth resolution enabled by time-of-flight recoil detection in transmission using pulsed keV ion beams | |
| Verma | X-ray fluorescence (XRF) and particle-induced X-ray emission (PIXE) | |
| RU2509299C1 (en) | Method of determining charge state of atoms in subnanolayer films on surface of metals and semiconductors | |
| Martinsson | Investigation of particle elastic scattering analysis as a complementary technique to pixe for aerosol characterization | |
| Hindi et al. | Search for the admixture of heavy neutrinos in the recoil spectra of 37 Ar decay | |
| Taglauer | Probing surfaces with ions | |
| Kan et al. | Secondary ion emission processes of sputtered alkali ions from alkali/Si (100) and Si (111) | |
| Holeňák et al. | Time-of-flight recoil detection in transmission using pulsed keV ion beams enables sensitive multi-element profiling with high depth resolution | |
| Unertl | Applications of Rutherford ion backscattering to surface crystallography | |
| RU2522667C2 (en) | Method of determining elemental composition and thickness of surface film of solid body with external action on surface | |
| Pallix et al. | Depth profiling using intense untuned UV laser ionization of sputtered neutrals | |
| Reimer et al. | Emission of backscattered and secondary electrons | |
| Weare et al. | Resonant neutralization of 7Li+ scattered from Cs/Al (100) as a probe of the local electrostatic potential | |
| Palla et al. | Preliminary measurements on the new TOF system installed at the AMS beamline of INFN-LABEC | |
| Gurbich et al. | Non-Rutherford cross-sections for alpha elastic scattering off Z= 28–38 elements in the energy range up to 10 MeV | |
| Park et al. | Quantitative hydrogen analysis through time of flight-elastic recoil detection analysis using medium energy ions | |
| Verma | Rutherford backscattering spectroscopy | |
| Ho et al. | Desorption of chemisorbed Carbon on Mo (1 0 0) by noble gas ion sputtering: Validation of ground test measurements of ion engine lifetimes | |
| Giangrandi | Low-energy Elastic Recoil Detection and Ion Beam Analysis for quantitative elemental profiling of thin films. | |
| Schmidt et al. | Materials analysis by ion beams |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150630 |