4.8. Уширение внутренней границы раздела и ионное перемешивание

Одно из применений распыления состоит в удалении нанесенных или выращенных слоев тонких пленок для исследования состава на границе между пленкой и подложкой. При этом ионы распыляющего пучка, проникая в вещество, могут вызвать перемешивание атомов пленки и подложки в результате сильных атомных смещений и диффузии, происходящей во время каскада столкновений вокруг траектории движушегося иона. Это перемешивание приводит к искусственному уширению распределения концентрации на границе раздела.

Для распыления необходимо бомбардировать поверхность первичными ионами заметной энергии (обычно 1-20 кэВ), пробег которых намного превышает глубину выхода распыляемых ионов и обычно превышает глубину наблюдения в электронной спектроскопии. Следовательно, в результате порождаемого ионами перемешивания в каскаде столкновений область «нарушенного» вещества превосходит анализируемую в процессе послойного распыления. Рис. 4.17 иллюстрирует ионное перемешивание, возникающее при исследовании методом SIMS платиновой пленки, нанесенной на кремний и распыляемой ионами аргона. Когда ионы аргона проникнут через границу раздела , некоторые атомы кремния из подложки будут переноситься в платиновую пленку, откуда они могут быть распылены. Поэтому сигнал от кремния появится еще до того, как платиновая пленка будет полностью удалена. Происходит также внедрение атомов платины в

Рис. 4.17. Процесс распыления слоя толщиной 1000 А на кремнии ионами в три различных момента времени. Когда пробег ионов меньше толщины слоя распыляются только ионы . Когда ионы начинают проникать через границу раздела происходит перемешивание атомов в области границы и сигнал от появляется в выходе распыления. После удаления всей платиновой пленки сигнал от продолжает все еще наблюдаться из-за внедрения в кремниевую подложку [21].

кремний и, следовательно, сигнал от платины останется в спектре вторичных ионов даже на глубинах, превосходящих толщину первоначально нанесенного слоя пластины.

Можно оценить эффект уширения границы раздела в таких системах, приравняв пробег распыляющего иона полуширине размытого сигнала. Пробег иона определяется интегралом

Предполагая, что в случае ионов средней массы с энергиями порядка килоэлектронвольт доминируют ядерные потери энергии и что эти потери не зависят от энергии ионов, этот интеграл можно аппроксимировать простым выражением

где задается равенством (4.19). Потери энергии для ионов в составляют примерно 100 эВ/А; эта величина лежит в основе грубой оценки, согласно которой толщина измененного слоя составляет -10 А/кэВ.

Уширеиие внутренней поверхности при определении распределения по глубине методом распыления может быть сведено к минимуму надлежащим выбором энергий ионов и углов падения. Во многих случаях распыление позволяет получить распределение по глубине с более высоким разрешением, чем дает обратное рассеяние.

Иногда представляется возможным и полезным использовать не менее двух различных методов анализа, которые дают взаимно дополняющую информацию. На рис. 4.18 изображены результаты исследования вольфрам-силицидной пленки, нанесенной на поликристаллический кремний (поликремний). Масс-спектроскопия вторичных ионов (рис. 4.18, а) применена для определения концентрации фосфора в поликремнии и для обнаружения кислородного загрязнения границы раздела. Спектрометрия обратного рассеяния (рис. 4.18, б) позволяет установить шкалу глубины и определить состав напыленного силицидного слоя — в нашем случае это пленка толщиной 1830 А. В методе SIMS содержание фосфора в поликремнии устанавливалось сравнением с эталоном, полученным имплантацией фосфора в кремниевый образец.

Отношение амплитуд сигналов от W и в методе SIMS (рис. 4.18,в) не отражает состава силицида; кроме того, при переходе от силицида к кремнию сигнал от увеличивается на порядок. Эти эффекты обусловлены влиянием матрицы на выход вторичных ионов. Пик сигнала от W на границе раздела силицид — объясняется увеличением выхода ионов W из-за присутствия кислорода на этой границе (отметим также увеличение выхода фосфора на границе между ). Спектр обратного резерфордовского рассеяния (рис. 4.18,б) показывает отсутствие пика в распределении W

Рис. 4.18. Анализ многослойного образца методом масс-спектрометрии вторичных ионов (а) и методом обратного резерфордовского рассеяния ионов (б). Образец состоит из вольфрам-кремниевой пленки толщиной 1830 А, напыленной на обогащенный фосфором слой полнкристалличесхого кремния толщиной 2150 А, слоя и кремниевой подложки. Концентрации W, Si и О на рис. а даны в произвольных единицах. На рис. б стрелками указаны сигналы от поликристаллического кремния , от кремния в вольфрам-кремниевой пленке (2) и от вольфрама в вольфрам-кремниевой пленке (3) [Magee С., RCA Research Laboratories, частное сообщение.]

вблизи границы раздела и подтверждает, что силицид имеет состав Увеличение сигнала от в окрестности обусловлено увеличением концентрации при переходе от силицида к а уменьшение сигнала вблизи объясняется существованием слоя толщиной 700 А между поликремнием и кремниевой подложкой. Сигнал от фосфора, составляющего 1% атомов в поликремнии, не может быть обнаружен в спектре обратного рассеяния, но легко регистрируется методом SIMS. Уширение границы раздела практически не влияет на распределения по глубине, полученные методом SIMS, и концентрация легких элементов (кислород и фосфор) может быть легко установлена. Сильное влияние матрицы на выход ионов не позволяет точно измерить относительные концентрации основных компонент (вольфрама и кремния); эти величины наряду с толщиной слоев определяются по спектру обратного рассеяния Резерфорда. Применение двух взаимодополняющих методик (RBS) и (SIMS) делает возможным довольно точное описание состава образца.