12.7. Мгновеннорадиационный анализ

В мгновеннорадиациониом анализе присутствие элементов в образце определяется по ядерным излучениям, испускаемым непосредственно в ходе ядерных реакций, производимых в мишени облучающим пучком. Пределы регистрации могут быть довольно хорошими, но обычно они не столь хороши, как пределы, которых можно было бы достичь в идеальных условиях активационного анализа.

Одним из важных преимуществ мгновеннорадиационного анализа и метода обратного рассеяния, рассмотренного в гл. 3, является возможность исследования распределения элементов по глубине в объеме или в приповерхностной области образца. Зависимость свойств испускаемых излучений от глубины обусловлена энергетическими потерями налетающих ионов по мере их проникновения в образец, а также энергетическими потерями, испытываемыми испускаемыми в реакциях заряженными частицами при выходе их из образца.

Поскольку анализ с помощью ядерных реакций может позволить практически бесфоновое обнаружение легких элементов , то может быть измерено распределение по глубине чрезвычайно малых концентраций примесей в приповерхностной области. В нашем рассмотрении мгновеннорадиационного анализа основной упор делается на определение распределений ничтожных количеств примесей элементов по глубине. В мгновеннорадиациониом анализе распределений по глубине применяются два различных метода: метод анализа энергии и метод резонанса. Первый используется, когда сечение ядерной реакции является медленно меняющейся функцией энергии. Во время анализа энергия анализирующего пучка поддерживается постоянной, а записывается энергетический спектр частиц, испущенных в процессе реакции, по которому определяется распределение примеси по глубине. Второй метод используется, когда в зависимости сечения от энергии имеется острый пик (резонанс) (см. рис. 12.2), а распределение по глубине определяется по измерениям выхода ядерных реакций как функции от энергии анализирующего пучка.

12.7.1. Метод анализа энергии

12.7.1.1. Реакции, возбуждаемые тепловыми нейтронами

Распределение по глубине ничтожных количеств определенных элементов может быть найдено с помощью пучка тепловых нейтронов, которые вступают с этими элементами в реакции, дающие выход моноэнергетических заряженных частиц [14, 15]. Эти изотропно испускаемые частицы теряют энергию при прохождении через вещество, а остающаяся у них энергия, с которой они покидают поверхность образца, зависит прежде всего от толщины слоя вещества, через который они проходят. Для данного образца с известной плотностью атомов энергия регистрируемой частицы

определяется глубиной, на которой произошла реакция. Количественный профиль распределения элемента с глубиной дается непосредственно спектром заряженных частиц. Для распределения примесей вблизи поверхности, когда скорость потери энергии почти постоянна, разность ДЕ между энергиями регистрируемых частиц, испускаемых атомами на поверхности и на глубине , определяется скоростью потери энергии dE/dx на выходном пути:

(12.14)

тогда как при обратном резерфордовском рассеянии (гл. 3) глубина определяется потерей энергии на пути как вглубь, так и обратно.

Как видно из табл. 12.1, сечения реакций с тепловыми нейтронами могут существенно превышать геометрические сечения ( = 1 барн). Для полной дозы тепловых нейтронов в нейтрон/см2 чувствительность обнаружения примесей составляет около атом/см2.

На рис. 12.10 показан спектр заряженных частиц для тонкой пленки бора (100 А) на никеле. Четыре пика в спектре соответствуют вторичным и первичным -частицам, а также ионам лития, испускаемым в ходе реакции . Когда реакция происходит на поверхности образца, измеренные энергии четырех заряженных частиц являются наибольшими. Если же реакция происходит внутри образца, то частицы должны пройти через верхний слой вещества и весь спектр заряженных частиц сдвигается в сторону низких энергий. Максимальное расстояние, которое может пройти частица и все же выйти из поверхности образца, — пробег — меняется в зависимости от состава образца, но обычно находится в пределах 1—10 мкм для всех твердых тел. На рис. 12.10, б показан сдвиг в спектре первоначального альфа-пика, который происходит при покрытии пленки бора слоем меди толщиной 500 А. Помимо спектрального сдвига за счет покрытия можно заметить также признаки диффузии атомов бора в никелевую подложку. Левая сторона пика уширена, а высота уменьшена, что указывает на перемещение атомов бора.

Таблица 12.1. Энергии и сечеиия реакций для тепловых нейтронов

Рис. 12.10. а — спектр заряженных частиц, испущенных атомами при облучении тепловыми нейтронами никелевого образца, покрытого пленкой бора толщиной 100 А. Часть спектра, обусловленная а-частицами с энергией Е = 1471 кэВ, увеличена (б) и показана для образцов, покрытых слоем меди толщиной 500 А, — штриховой линией, а непокрытых — сплошной линией.

12.7.1.2. Реакции, возбуждаемые заряженными частицами

При облучении мишеней заряженными частицами с энергиями, достаточно большими для того, чтобы преодолеть кулоновский барьер, происходит целый ряд ядерных реакций, как это показано на рис. 12.11 на примере облучения дейтронами тонкой мишени нитрида алюминия.

Как и в случае обратного резерфордовского рассеяния, выход реакций зависит от дифференциального сечения, но в отличие от обратного рассеяния простой аналитической формулы для сечения не существует. Зависимость сечений от энергии можно найти в литературе по ядерной физике (см. [5]). Обшей особенностью является то, что из-за отталкивания кулоновским

Рис. 12.11. Энергетический спектр с шагом 8,23 кэВ/канал при бомбардировке дейтронами пленки нитрида алюминия толщиной 1700 А на никелевой подложке. Энергия дейтронов равна 1700 кэВ, угол регистрации 160°. Для блокирования детектора (1) от рассеянных дейтронов и уменьшения, таким образом, фона, приводящего к наложению импульсов в регистрирующей системе, используется майларовая пленка (2) [1].

барьером ядра со средними и большими Z не вступают в реакции (с частицами мегаэлектронвольтных энергий). Это в сочетании с тем обстоятельством, что испущенные частицы имеют энергии, намного превышающие энергию налетающих частиц (вследстиие больших значений Q для большинства реакций), дает возможность бесфоновой регистрации легких элементов на более тяжелых подложках. Чтобы предотвратить перегрузку детектора и электронных систем, избыток упруго рассеянных частиц задерживается в тонком поглотителе.

Число зарегистрированных частиц QD пропорционально полному числу атомов на

(12.15)

где — дифференциальное сечение; — телесный угол регистрации; Q — число налетающих частиц [формула (2.9)].

Как следует из формулы (12.5), при начальной энергии энергия регистрируемых частиц для поверхностных реакций равна Тогда разность между энергиями частиц, образовавшихся на поверхности и на глубине , зависит как от потерь энергии dE/dx налетающей частицы на пути внутрь образца, так и от потерь энергии частицей, образовавшейся в результате реакции на пути наружу:

Здесь опять использовано приближение постоянства потерь энергии в приповерхностной области. Множитель а, определяемый конкретной реакцией, уравновешивает энергетические потери на пути внутрь образца точно таким же образом, как и кинематический множитель обратного рассеяния [формула (3.20а)]. Формула (12.16) задает соответствие между глубинной и энергетической шкалами. Если сечение известно, профиль концентраций может быть выведен из формы экспериментального спектра.

Для измерений распределения кислорода по глубине может быть использована реакция При низких энергиях дейтрона в ходе реакции испускаются а-частицы в основном состоянии . Для а-частиц, соответствующих первому возбужденному состоянию ядра реакция имеет отрицательное значение МэВ (а следовательно, и пороговую энергию) и не происходит при энергии дейтронов, меньшей При бомбардировке дейтронами низких энергий величина энергии частиц на больших углах выхода мала, поэтому тормозная способность или потеря энергии на единицу длины довольно велика и обеспечивает улучшенное разрешение по глубине. На рис. 12.12 показан энергетический спектр, который наблюдался для слоя толщиной 6000 А при нормальном падении пучка на мишень и регистрации под углом 145°. Для того, чтобы избежать перекрытия с реакцией не допускалось превышение глубиной обеднения детектора величины 26 мкм. В то время как а-частицы останавливаются на этой толщине и отдают всю свою энергию детектору, протоны отдают лишь часть своей энергии и поэтому смещаются в энергетическом спектре частиц в сторону низких энергий.

Преимущество выполнения экспериментов с частицами, имеющими большую тормозную способность, отчетливо видно из рис. 12.12. В то время как протоны, образовавшиеся при реакции имеют довольно узкий спектр и не могут быть использованы для измерения распределения по глубине, для этой цели могут служить -частицы, энергетический спектр которых достаточно широк.

Рис. 12.12. Часть энергетического спектра с шагом , полученного для угла регистрации при облучении слоя толщиной 6000 А дейтронами с энергией . Энергетическая ширина сигнала кислорода непосредственно связана с толщиной слоя окисла [16].

12.7.2. Метод резонанса

Свойством многих ядерных реакций является наличие одного или нескольких резких пиков, или «резонансов», в зависимости их выхода от энергии бомбардирующих частиц. Такие резонансы экспериментально измеряются варьированием энергии налетающего пучка путем малых приращений с одновременным измерением излучения, испущенного на единицу падающего потока для каждого значения энергии. В методе резонанса при определении распределения ничтожных количеств элементов по глубине используется преимущество наличия острого пика (см. например, рис. 12.2) в зависимости сечения ядерной реакции от энергии. Рассмотрим идеализированный случай, показанный на рис. 12.13, когда в энергетической зависимости сечения имеется всего один резонанс, а величиной сечения вне резонанса можно пренебречь. Метод состоит в измерении выхода реакции (чаще всего -излучения) при взаимодействии падающего пучка с атомами примеси как функции энергии падающего пучка. Налетающие ионы с энергией (большей, чем энергия резонанса ) испытывают замедление, пока не достигают величины на глубине где происходит ядерная реакция, скорость которой пропорциональна концентрации примесей. Глубина и энергия налетающего пучка связаны уравнением

(12.17)

Рис. 12.13. Принцип измерения профиля концентрации с использованием резонансных реакций. — энергия пробного пучка.

где — угол между падающим пучком и нормалью к поверхности. Тормозная способность предполагается постоянной. Более совершенный анализ может быть выполнен путем учета точной зависимости сечения от энергии, энергетического страгглинга и других факторов (см., например, [17]).

Если отвлечься от конечности разрешения по глубине в экспериментальной кривой выхода, то из рис. 12.13 видно, что искомое распределение концентрации может быть найдено простой заменой масштабов выхода частиц и энергии на масштабы концентрации и глубины соответственно. Пример использования ядерного резонанса показан на рис. 12.14, где приведена зависимость выхода гамма-излучения от энергии пучка для мишени, в которую имплантированы атомы водорода. Реакция между фтором и водородом имеет сильный резонанс вблизи 16,4 МэВ, так что распределение концентрации водорода может быть найдено непосредственно. Профиль концентрации водорода, полученный таким способом, отражает лишь содержание водорода внутри образца и не включает те атомы, которые содержатся на поверхности вследствие ее загрязнения.

Анализ с помощью ядерных реакций NRA (от англ. Nuclear Reaction Analysis) является методом определения абсолютных концентраций (атом/см2) легких примесей внутри и на поверхности твердого тела. Поэтому этот метод дает абсолютную калибровку для других поверхностно чувствительных методов, в особенности оже-анализа и масс-спектроскопии вторичных ионов. Типичной областью применения является случай легких частиц, имплантированных в более тяжелую подложку. SIMS обеспечивает чувствительность к распределению по глубине, а метод NRA определяет

Рис. 12.14. Распределение по глубинам пробега атомов Н с энергией 12 кэВ, имплантированных в при дозе , измеренное с помощью ядерной реакции . На верхней части рисунка показаны необработанные экспериментальные данные, а в нижней части — полученное по ним распределение водорода (по рис. 1 из [18], с. 811) .

Таблица 12.2. Наиболее употребительные реакции с заряженными частицами, используемые для обнаружения легких атомов [5].

абсолютное количество примеси. Анализ с помощью реакций особенно полезен для обнаружения водорода и определения абсолютной плотности покрытия им поверхности. Наиболее употребительные реакции с заряженными частицами, используемые для обнаружения легких атомов, приведены в табл. 12.2.