Введение к работе
Актуальность теми, Современные технологии модификации свойого поверхности все шире внедряются в практику. Поэтому на повестку дня стали задачи массового анализа элементного состава поверхности и тонких слоев вещества. В последние годы развивается перспективний во многих отношениях метод анализа тонких слоев и поверхностей по рентгеновским третичным спектрам, регистрируемых энергодисперсионными детекторами. Для обеспечения высокой правильности результатов рентгеноспектрального анализа, повышения его точности при определении элементного состава поверхностных слоев вещества необходимо метрологическое обеспечение метода: создать эталоны Сияй образцы сравнения), обеспечивающие заданное распределение примесей по глубине; получить необходимые аналитические выражения, учитывающие связь интенсивности линии с характеристиками поверхностного слоя и состава матрицы (подложки).
Так как теоретически достижимый предел обнаружения метода РСФА составляет 10 - 10 г .то для изготовления стандартных образцов ССО) или образцов сравнения (ОС) для РСФЛ поверхностных слоев, применять традиционные химические методы невозмошо или весьма сложно. Поэтому для создания СО или ОС для микроанализа наиболее предпочтительным является ионная имплантация.
СО и ОС, созданные с помощи ионной имплантации, должны обеспечивать возмозглость выполнения градуировки, аттестации методик и проведения измерении; контроль правильности результатов измерений; измерения состава н свойств веществ и материалов методами сравнения с использованием наименьшего числа типов ОС или ОС. Основное требование, предъявляемое к СО или ОС. - обеспечить заданное распределение примесей по глубине. Это достигается либо путем экспериментального измерения профилей либо расчетньш путен, например, метогпм Монте-Карло. Поэтому соверизнствокапае метогі Монте-Кар..о применительно к проблеме создания СГ к ОС «вл^тея необходимой задачей.
В настоящее зрсся ионная имплаігггцкя становится ссноеъйМ технологическим процессом из применя '«их для кодификации элзктро-
фчЗЯЧеСКИХ, ХИМИЧеСКИХ, ОПГИЧЄСКИХ,, ЙОХаНИЧеСКИХ И ДРУГ'Х СЗІ.ІЄТ5
поверхностных слоев материалов.
Метод ионной имплантации основан на контролируемом внедрении
в материал (твердое тело) ускоренных атомных (или молекулярных) ионов.
Для целенаправленного выбора технологических режимов появилась необходимость в знаниях распределения внедренной примеси, точечных дефектов и вакансий, переданной энергии в столкновениях, а также коэффициентов распыления и рассеивания. Исследование этих процессов связано с определенными экспериментальными трудностями. Сведения о них мокко получить в рамках определенных модельних представлений о взаимодействии ионов о твердым телом.
С развитием ЭВМ для подобных расчетов, в силу статистической природы процесса имплантации, стали применять метод Монте-Карло, позволявший избежать ряд ограничений, возникающих'при решении кинетического уравнения численными методами и получить результаты более достоверные, чем другими методами расчета.
При, рентгеноспектральною исследовании структуры и состава ионно-имплантированного материала всегда необходимо установить од-эначную связь интенсивности рентгеновской флуоресценции о элементным составом излучателя, а также параметрами распределения внедренных атомов. Достоверность и правильность результатов зависит от качества регистрирурщей системы и кетодики расшифровки спектров.
Поэтому разработка процедуры расшифровки спектра и восстановления его "истинной" формы по экспериментальной с сильным перекрытием слабых и интенсивных линий является актуальной задачей. Решение этой задачи позволит представить метод в завершенном виде и обеспечить выполнение метрологических требований.
Цель работы. Создать теоретическую модель расчета связей интенсивности рентгеновской флуоресценции с элементным составом и параметрами распределения атомов внедренных в твердое тело методом ионной имплантации.
В соответствии с указанной целью в работе ставились следующие задачи:
-
Развить метод Монте-Карло для расчета характеристик распределений внедренных ионов, дефектов и вакансий для оценки качества ОС и СО, создаваемых методом ионной имплантации для рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, рентгеновского и лазерного микроанализов, метода ыасс-спектрометрик вторичных ионов (МСВИ -SIMS) н других методов адализа.
-
Методом Монте-Карло рассчитать распределения вн^лрсшшу
ионоэ, дефектов и вакансий в зависимости от типа иона, ого энергии и состава мишени; найти аналитические выражения, аппроксимирующие эти распределения.
-
Теоретически изучить влияние характеристик распределения по глубине внедренных примесей на интенсивность линий рентгеновского спектра; определить условия применения модели равномерного распределения для описания спектра образца с неравномерным распределением определяемого элемента.
-
Теоретически и экспериментально изучить зависимости вхла-дов в интенсивность аналитической линии вторичных эффектов: под-возбувдение вторичными фотонами, фотоэлектронами, рассеянными фотонами при анализе тонких поверхностных слоев.
-
Развить метод расшифровки спектров, получаемых на энергодисперсионных спектрометрах, основанный на использовании вероятностной теоремы Байеса.
На защиту выносятся результаты разработки математического обеспечения рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (в монохроматическом приближении) поверхностных слоев материалов с применением оораэцов сравнения, изготовленных методом ионной имплантации:
-
Способ, основанный на методе Монте-Карло, расчета распределений внедренных атомов, дефектов и вакансий при имплантации ионов в мишени сложного элементного состава.
-
Рассчитанные методом Монте-Карло распределения внедренных ионов, дефекте» н вакансий н их аналитические аппроксимации.
-
Модель равномерного распределения примеси для описания зависимости интенсивности аналитической линии от концентрации определяемого элемента, неравномерно распределенного по глубине образца.
І. Аналитические одражекиа и численные оценки вкладов вторичных эффектов в интенсивность аиалиткчэской липки: подвейбуздепие ?торичнь'м>: фогонами, фотоэлектронами и рассеянными фотонами атомов пойерхьсогкого слоя.
5. Способ расшіфропю! эиергодисперсиокных спектров мяогсаяз-монтных проб, основанный на вероятностной" теореме Еайэса и учкгк-заюдкк зависимость формы кривой аппаратурного искажения от энергии' аналитической линии.
Научная новизна диссертационной работы.
Показана возможность замены неравномерных типов распределения на модельное равномерное распределение, что приводит к существенному упрощению ряда математически» выводов в формулах для РСФА.
Определены и оценены вклады от матричных аффектов подвоз-бухдения различной природы.
Предложен алгоритм расчета параметров распределения имплантированной примеси, первичных вакансий, дефектов и вакансий, возникающих в процессе имплантации, а также количество обратно рассеянных ионов, оонованныи на методе Монте-Карло.
Апробирован метод описания характеристической линии, зарегистрированной ППД.
Применен метод расшифровки третичных спектров флуоресценции, основанный на использовании вероятностной теоремы Байеса в сочетании со специальным методом описания характеристической линии, что позволяет улучшить точность анализа на 5 - 15 в зависимости от загрузки спектрометрического тракта регистрации и разделять сильно перекрываюдкеся аналитические линии с соотношениями интенсивности 1:1500.
Научная и практическая значимость работы. Внедрение результатов данной работы позволит повысить правильность РСФА по третичным спектрам флуоресценции, проводимых с использованием как способа внутреннего, так и внешнего стандартов.
Полученные результаты являются основой для разработки технологии изготовления СО и ОС, конкретных методик рентгеноспектрального анализа имплантированных слоев или слоев с неравномерным распределением примеси по глубине. По описанной программе для расчетов параметров ионной имплантации могут проводиться различные рао-четы при создании как ОС и СО, так и для модификации физических параметров многих современных материалов и приборов полупроводниковой электроники и СВЧ-техники.
Результаты диссертационной работы используется в НИИ Физики при РГУ в ходе выполнения НИР Сх/д тема N 2533) и по темам РОСТ Ф - 21 и РОСТ Ф - 21/1.17. что отражено в соответствующие отчетах.
Использование ЭВМ. При выполнении диссертационной работы расчет эффектов подвозбухдения различной природы проводился с использованием мини-ЭВМ ДВК-3; расчет параметров распределений, возникавшие в процессе ионной имплантации, проводился на ЭВМ ЕС - 1022,
EC - 1055 и EC - 1060; математическая обработка третичных спектров флуоресценции осуществлялась на ЭВМ ДВК-3. СМ-4. ЕС - 1033 и IBM PC AT (процессор N 80286 и супроцессор N 80287).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
I Всесоюзном совещании по рентгеноспектральному анализу, г. Орел 9-11 июня 1986 г;
II Всесоюзном совещании по рентгеноспектральному анализу, г. Иркутск 25 - 28 сентября 1989 г ;
XIV Семинаре "Радиационная физика полупроводников", г, Новосибирск 22-24 марта 1989 г. ;
Всесоюзной конференции "Анализ - 90. Современные методы анализа металлов, сплавов, объектов окружающей среды", г. Ижевск 11 - 15 июня 1990 г. ;
Конференции по аналитической атомной спектроскопии с международным участием "XI CAHAS", г. Москва 29 июля - 3 августа 1990
Ежегодных научных сессиях РГУ и НИИ Физики.
Публикации и личный вклад автора. Основные результаты исследовании опубликованы в 10 печатных работах С5 тезисов докладов и 5 статей).
Автором получены все основные теоретические и экспериментальные результаты исследовании, изложенные в диссертации; разработаны алгоритмы и программы для оценки эффектов подвозбуждения, расчета параметров распределения профилен во время ионной имплантации, расшифровки третичных спектров флуоресценции.
В выполнении отдельных разделов' работы принимали участие: Лосев Н. Ф. - докт. физ.-мат наук, профэ^ ;ор - сформулировал проблему и осуществлял обаее научное руководство при выполнении диссертационном рабиты.
Волков 3.Ф канд. фаз.-мат. наук, доцеят - сформулировал задачи исследовании, разработал теоретические положения учета эффектов подвозбуадения. принимал участие з обсуждении теоретических и экспериментальных исследований;
Король В. М. - канд. физ.-мат. наук, ст. научн, сотр. НИИ Физики при РГ/ - принимал участие в обсуждении рэзультатов 3 главы ч провел имплантации ионов Fe"1' в кремнии и никель, Zn* в арсенид галлия и
кремний.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 149 страниц, в том числе 34 рисунка, 10 таблиц и список литературы из 155 наименований.
