Методика аналізу спектра ВІМС

Першим етапом розшифрування спектра ВІМС є ідентифікація піків, які відповідають атомарним, молекулярним і кластерним іонам. Якщо встановлено основний склад зразка, то на другому етапі здійснюють ідентифікацію ліній, масові числа яких відповідають найбільш розповсюдженим ізотопам основних

Рисунок 7.16 – Мас-спектри (ВІМС) масивних зразків Ti (a) і Мо (б)

компонентів зразка. На рис. 7.16 представлені як приклад

спектри ВІМС Ti і Mo, які мають 5 і 7 стабільних ізотопів відповідно. Відмітимо, що майже всі метали мають стабільні і нестабільні ізотопи. Так, наприклад, у Ti фіксується 8 ізотопів, із них 5 – стабільні, у Ag всього 19 ізотопів, із них лише 2 – Ag¹⁰⁷ (природна розповсюдженість – 51,35%) і Ag¹⁰⁹ (48,65%) стабільні; у Cu всього 11 ізотопів, із них лише 2 - Cu⁶³ (69,1%) і Cu⁶⁵ (30,9%) стабільні; у Nb всього 19 ізотопів, із яких лише 1 – Nb⁹³ (100%) стабільний.

Правильність ідентифікації багатьох ізотопних елементів контролюється порівнянням відношень висот піків на мас-спектрі із природного розповсюдження ізотопів цих елементів.

На третьому етапі ідентифікують багатоатомні (як правило - двоатомні) іони основних елементів. Легко показати, що, наприклад, від двоатомних іонів буде фіксуватися 9 ліній, а від триатомних іонів - 13 ліній і т.д. У першому випадку це будуть такі лінії:

Відмітимо, що в кожному ряді атомні іони мають дуже близькі, але неоднакові атомні числа, що й спричиняє своєрідне розщеплення на 2 або 3 лінії.

Подальший, четвертий, етап пов'язаний із ідентифікацією ліній, які відповідають молекулярним і кластерним іонам оксидів, гідридів, нітридів, а також гідроксидів і т.п.

Відмітимо деякі особливості, які мають місце при розшифруванні спектрів ВІМС.

При використанні первинних іонів Ar⁺ і O⁺ у вакуумі 10^-4 – 10^-5 Па буде спостерігатися зменшення висоти піків від багатоатомних іонів, а в умовах надвисокого вакууму - підсилення інтенсивності піків від двоатомних іонів. Майже завжди проявляє себе т.зв. водневий ефект, суть якого полягає в тому, що має місце реакція приєднання тим чи іншим ізотопом з а.о.м. m_i атома водню:

що спричиняє збільшення атомного числа на одиницю і відповідний перерозподіл інтенсивностей піків, тобто зменшується, а - збільшується (на прикладі спектра ВІМС від плівки Ti цей ефект ілюструється рисунком 7.17, який необхідно порівнювати із рис. 7.16а).

Рисунок 7.17 – Спектр ВІМС від поверхні плівки Ti, на якому реєструється водневий ефект (лінії Ti⁺), лінії від Ar (первинні іони) і молекули Н₂, Н₂О і СО, які потрапляють на поверхню плівки із залишкової атмосфери

В окремих випадках можуть спостерігатися лінії Na²³ і Ca⁴⁴ від домішок, занесених на зразок оператором або тих, що потрапили із залишкової атмосфери. Крім цього, якщо первинний пучок іонів якимось чином потрапляє на сталевий об’єктотримач, то можуть бути зафіксовані лінії Fe⁵⁶ і Fe⁵⁸. На мас-спектрі ВІМС від плівки Ti (рис. 7.17) простежуються також лінії від TiO і домішкових у залишковій атмосфері молекул СО, Н₂ та атомів С.

Для отримання кількісних даних про хімічний склад зразка і розподіл елементів за його глибиною необхідно користуватися або еталонами, або методом коефіцієнтів

Рисунок 7.18 – Приклади дифузійних профілів різних двошарових систем. τ – час травлення пучком первинних іонів

відносної елементної чутливості. Це дає можливість будувати дифузійні профілі і вивчати процеси взаємної дифузії у дво- і багатошарових плівкових системах. На рис. 7.18 представлені приклади дифузійних профілів для різних двошарових систем. Для оцінки величини коефіцієнтів взаємної дифузії (D) можна скористатися співвідношенням

де τ_диф – час конденсаційно-стимульованої або термодифузії; Δх – довжина дифузійного пробігу, яка розраховується за співвідношенням (τ_тр ω_тр – час і швидкість травлення зразка первинними іонами).

Використовуючи експериментальні результати, можна визначити, що величини коефіцієнтів взаємної дифузії лежать у межах 10^-18 – 10^-19 м²/с.

Відмічаючи ефективність методу ВІМС, вкажемо на його основний недолік, який полягає в тому, що це, за своєю суттю, руйнівний метод аналізу, в процесі якого можуть стимулюватися термодифузія, утворення кратерів і розмивання меж поділу шарів.