Спосіб високочутливого кількісного безеталонного елементного аналізу твердих тіл

Спосіб високочутливого КІЛЬКІСНОГО безеталонного елементного аналізу твердих тіл, який включає іонне бомбардування у вакуумі поверхні досліджуваного матеріалу, та переведення розпорошених в основному стані "0" атомів досліджуваної домішки у збуджений стан "і" шляхом їх однофотонного резонансного збудження випромінюванням перестроюваного лазера неперервної дії з достатньо широкою ЛІНІЄЮ генерації, яка перекриває доплерівський контур лінії поглинання для цих частинок, з подальшим вимірюванням середньої Винахід відноситься до емісійної електроніки, а саме до способів діагностики поверхні іонними пучками і може бути використаний для високочутливого КІЛЬКІСНОГО безеталонного елементного аналізу твердих тіл Однією З найактуальніших задач діагностики поверхні іонними пучками є теоретична і апаратурна реалізація можливості здійснення високочутливого КІЛЬКІСНОГО безеталонного елементного аналізу поверхні і об'єму твердих тіл Ця задача є складовою багатьох відомих проблем сучасної науки і техніки, зокрема, пов'язаних із створенням нових речовин і матеріалів, утому числі матеріалів наноелектроніки та надчистих матеріалів Нижче пропонується спосіб вирішення даної задачі Як відомо [1, 2], найбільш висока концентраційна чутливість елементного аналізу притаманна способам, що поєднують зондування поверхні іонними пучками та визначення коефіцієнту розпорошення S fl того чи іншого домішку "Д" (одержання S fl рівнозначне визначенню дольової концентрацій Сд домішку "Д", оскільки Cfl=Sfl/S, де S - сумарний (за елементами) коефіцієнт розпорошення Вимі КІЛЬКОСТІ J,o спонтанно емітованих цими частинками фотонів, що приходяться на один первинний іон, який відрізняється тим, що лазерним випромінюванням рівномірно освітлюють плоский, паралельний поверхні мішені просторовий шар, доплерівським методом вимірюють довільним чином нормований розподіл f,(vz) атомів досліджуваної домішки, збуджених у стан "і", за нормальними до поверхні складовими vz їх швидкостей, при цьому із перших принципів розраховують імовірність w,o(vz) того, що при ВІДЛЬОТІ від поверхні розпорошений атом домішки, який має складову швидкості vz і перебуває в основному стані "0", збудиться у стан "і" в полі лазерного випромінювання і спонтанно емітує фотон, після чого визначають абсолютне значення S fl коефіцієнта розпорошення домішки за формулою q д . Jdvzf,(vz)/w,0(vz) l0 fdv,f,(vj рювання останнього не викликає труднощів [3]) Одним з таких способів є вторинна іонна масспектрометрія (ВІМС) - аналог методу, що пропонується ВІМС полягає у наступному Реєструють розпорошені іони домішку Як правило, аналіз проводять за однозарядними позитивними атомарними іонами, оскільки саме вони, частіше всього, складають більшість у загальному потоці розпорошених ІОНІВ домішку [3, 4] При цьому вимірюють вихід J+ вторинних ІОНІВ домішку на первинний іон Коефіцієнт розпорошення s fl знаходять із співвідношення Sfl=J+/N4 (1) попередньо визначивши N+ - усереднену за швидкостями частинок імовірність однократної позитивної іонізації атому домішку в процесі емісії Імовірність N+ знаходять, використовуючи загальновідомий метод еталонних зразків [5] На даний час це єдиний можливий метод визначення N+, оскільки альтернативний метод - розрахунок імовірності N+ із перших принципів - неможливо реалізувати із-за ю CO 42395 відсутності задовільної теорії вторинної іонної емісії Недоліками способу ВІМС є 1) використання аналізатору ІОНІВ В області досліджуваного зразка, що знижує можливість застосування даного способу для контролю елементного складу матеріалів в технологічному процесі їх виготовлення або модифікації, 2) залежність аналітичного сигналу від зарядки поверхні (особливо діелектрику) іонним пучком Від вказаних недоліків вільний спосіб іоннофотонної спектроскопії (ІФС) [6], який є аналогом винаходу що пропонується ІФС полягає у наступному Реєструють оптичне випромінювання, що емітується вторинними збудженими частинками домішку Як правило, аналіз проводять за атомами, збудженими у резонансний стан "і", оскільки саме вони, частіше всього, складають більшість у загальному потоці розпорошених збуджених частинок домішку При цьому вимірюють вихід J, збуджених атомів домішку на первинний іон Коефіцієнт розпорошення s fl знаходять із співвідношення му вимірюють вихід J,o фотонів на первинний іон Враховуючи, що коефіцієнт розпорошення so атомів домішку в основному стані з високою точністю дорівнює коефіцієнту розпорошення домішку Sfl, останній знаходять із співвідношення S f l =J,/N,Загальним недоліком СЛФ, ІФС, ВІМС та інших відомих способів КІЛЬКІСНОГО елементного аналізу при іонному опроміненні поверхні є те, що всі вони потребують використання еталонних зразків, приготування яких значно сповільнює, здорожує і ускладнює, а в деяких випадках навіть унеможливлює процес аналізу Завданням винаходу є розробка способу високочутливого КІЛЬКІСНОГО безеталонного елементного аналізу твердих тіл Поставлене завдання досягається в способі високочутливого КІЛЬКІСНОГО безеталонного елементного аналізу твердих тіл, який включає іонне бомбардування у вакуумі поверхні досліджуваного матеріалу та переведення розпорошених в основному стані "0" атомів досліджуваного домішку у збуджений стан "і" шляхом їх однофотонного резонансного збудження випромінюванням перестроюваного лазеру неперервної дії з достатньо широкою ЛІНІЄЮ генерації, яка перекриває доплерівський контур лінії поглинання для цих частинок, з послідуючим вимірюванням середньої КІЛЬКОСТІ J,o спонтанно емітованих цими частинками фотонів, що приходяться на один первинний юн, в якому згідно з винаходом, лазерним випромінюванням рівномірно освітлюють плоский, паралельний поверхні мішені просторовий шар, допплерівським методом вимірюють довільним чином нормований розподіл f,(vz) атомів досліджуваного домішку, збуджених у стан "і", за нормальними до поверхні складовими vz їх швидкостей, при цьому із перших принципів розраховують імовірність w,o(vz) того, що при ВІДЛЬОТІ від поверхні розпорошений атом домішку, який має складову швидкості vz і перебуває в основному стані "0", збудиться у стан "і" в полі лазерного випромінювання і спонтанно емітує фотон, після чого визначають абсолютне значення S fl коефіцієнту розпорошення домішку за формулою (2) попередньо визначивши N, - усереднену за швидкостями частинок імовірність формування "Г-го збудженого стану атому домішку в процесі емісії Останню знаходять вищезгаданим методом еталонних зразків Альтернативний метод, тобто розрахунок імовірності N, із перших принципів, на даний час неможливо реалізувати із-за відсутності задовільної теорії вторинної емісії збуджених атомів Перевагами ІФС є 1) притаманна оптичним способам висока точність ідентифікації елементів та дистанційність відбору інформації, тобто відсутність необхідності використання будь-якої спеціальної апаратури чи вузлів в області досліджуваного зразка, 2) проведення аналізу за нейтральними частинками, у зв'язку з чим суттєво зменшуються похибки аналізу (особливо діелектриків), обумовлені зарядкою поверхні первинними іонами Основним недоліком ІФС є більш низька, ніж у ВІМС концентраційна чутливість, особливо до неметалів [4, 6, 7] Від вказаних недоліків ВІМС та ІФС вільний спосіб спектроскопи, індукованої лазерним випромінюванням флуоресценції (СЛФ) [8], який є прототипом винаходу, що пропонується СЛФ значно перевищує ВІМС і ІФС за концентраційною чутливістю і полягає у наступному Реєструють спонтанне оптичне випромінювання, що емітується розпорошеними частинками домішку після їх збудження лазерним випромінюванням Як правило, аналіз проводять за атомами домішку, розпорошеними в основному стані "0" (оскільки саме вони, як правило, складають більшість в потоці розпорошених частинок домішку [6]) і переведеними у збуджений стан "і" шляхом однофотонного резонансного збудження випромінюванням перестроюваного лазеру неперервної дії з достатньо широкою ЛІНІЄЮ генерації, яка перекриває доплерівський контур лінії поглинання для цих частинок (останнє необхідне для збудження частинок у всьому діапазоні їх швидкостей) При цьо (3) попередньо визначивши W,o - усереднену за швидкостями атомів домішку, розпорошених в основному стані, імовірність того, що така частинка збудиться у стан "і" в полі лазерного випромінювання та спонтанно емітує фотон (тут термін "імовірність" є умовним, оскільки в процесі взаємодії з полем лазерного випромінювання частинка може спонтанно випроменити кілька фотонів У останньому випадку дану величину можна визначити, як середню КІЛЬКІСТЬ таких фотонів) Імовірність W,o знаходять вищезгаданим методом еталонних зразків Альтернативний метод, тобто розрахунок імовірності Wio із перших принципів, у даному способі неможливо реалізувати хоча б тому, що СЛФ не дає експериментальної інформації про швидкості атомів домішку, розпорошених у основному стані S =J, v, /w,n v, Jdvzf,( 42395 Даний спосіб відрізняється від свого прототипу (СЛФ), по-перше, умовами лазерного опромінення емітованих атомів і, по-друге, наявністю процедури одержання експериментальної інформації про швидкості атомів домішку, розпорошених у основному стані Ці ВІДМІННОСТІ забезпечують можливість розрахунку імовірності W,o із перших принципів і, ВІДПОВІДНО, можливість виконання безеталонного КІЛЬКІСНОГО елементного аналізу Обгрунтуємо необхідність введення зазначених відмінностей та розглянемо їх більш детально Нехай Wio(v) - імовірність того, що при ВІДЛЬОТІ ВІД поверхні розпорошений атом домішку, який має швидкість v і перебуває в основному стані "0", збудиться у стан "і" в полі лазерного випромінювання і спонтанно емітує фотон (див примітку на попередній сторінці) Тоді шукана імовірність =, (4) де кутові дужки означають усереднення за швидкостями у атомів домішку, розпорошених в основному стані Як видно із співвідношення (4), для забезпечення можливості розрахунку імовірності W,o із перших принципів необхідно створити такі експериментальні умови, які б забезпечували 1) можливість розрахунку імовірності w,o(v) і 2) можливість усереднення імовірності w,o(v) за v Розрахунок імовірності w,o(v) Найбільш точно та просто імовірність w,o(v) можна розрахувати при умові, що лазерним випромінюванням рівномірно освітлюється плоский, паралельний поверхні мішені просторовий шар Реалізація цієї умови складає першу суттєву відміну способу, що пропонується, від СЛФ (ІНШІ умови лазерного збудження такі ж, як і в способі СЛФ) Єдиною альтернативою вказаній умові є вимірювання та введення в задачу характеристик лазерного випромінювання у всіх точках об'єму, в якому здійснюється збудження емітованих частинок, але й ця процедура не використовується в способі СЛФ Знайдемо імовірність w,o(v), яка відповідає вказаній умові Обмежимося розглядом дворівневої схеми збудження-дезбудження частинок лазерним випромінюванням, яка найчастіше реалізується на практиці Лазерне випромінювання, для визначеності, будемо вважати неполяризованим Нехай атом, що має швидкість v, емітується з поверхні в момент часу t=0 у стані, який відповідає одному з підрівнів рівня "0" Ясно, що у початковий момент часу заселеності ро і р, рівнів "0" й "і" дорівнюють, ВІДПОВІДНО, 1 і 0 У нашому випадку нескладно визначити заселеності ро, р і в наступні моменти часу, оскільки, по-перше, має місце очевидне співвідношенням po(t)+pi(t)=1 та, по-друге, залежності ро і р, від часу задовольняють простому кінетичному рівнянню [8], у якому через коефіцієнти Ейнштейна враховуються процеси однофотонного резонансного поглинання, вимушеної емісії та спонтанного випромінювання Запишемо розв'язок цього рівняння за вищевказаною початковою умовою Маємо [8] p,(t) = n l [1-exp(-At/x l )] (5) Тут і, - час життя атома на збудженому рівні "і" (по відношенню до процесу спонтанного випромінювання), п. й А - параметри, що визначаються наступними співвідношеннями g,Sk/g0A, (6) Sk(1 + g i / g 0 ) (7) Тут g, й go статистичні ваги рівнів "і" й "0", Sk - безрозмірний параметр, який називають параметром насичення Г81 Ь 2 S,, = Р-Х П 6 - т і - П - с 2 -a-AX, (8) де Р - потужність лазерного випромінювання, X довжина хвилі, яка відповідає радіаційному переходу "0"^"і", а - площа перерізу лазерного променю, ДА, - ширина лазерної лінії Як видно з (5), параметр п, має зміст імовірності збудження атому при його тривалій взаємодії з полем лазерного випромінювання Саме ж співвідношення (5) справедливе, вочевидь, лише на обмеженому інтервалі 0