一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法

摘要

本发明公开了一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法，该表征方法是通过二次离子质谱仪探测器收集包含了界面两侧薄膜中特征元素组成的原子团簇型离子，分析该原子团簇型离子的信号，利用其峰值位置确定样品界面位置。所述原子团簇型离子能与待测的元素离子或待测的原子团簇型离子一起测试或分别测试，通过数据处理比对后实现对该信号的界面定位。本发明在利用二次离子质谱表征薄膜材料时，在不增加测试原材料损耗与仪器运行成本的条件下，无需数据拟合，仅使用实验数据即可直接标定待测样品中多层膜的界面位置，提高表征精度，提高测试效率。

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料的测试分析技术领域，尤其是涉及一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法。

背景技术

薄膜材料因优越的光学、力学、电磁学等性能在信息技术、生命科学、能源环境、军事国防等方面得到日益广泛应用,而薄膜产业的日趋壮大又刺激了薄膜技术和薄膜材料的蓬勃发展。其中界面是薄膜材料中非常重要的部分，界面可能有着和体材料完全不同的结构和电子学、力学性质，深深地影响着材料的性能。因此，随着薄膜材料的快速发展，在薄膜材料的研究中，对材料以及材料界面的表征要求也越来越高，而二次离子质谱作为一种非常重要的分析表征仪器对薄膜材料的测试分析具有重大意义。

二次离子质谱是最为前沿的表面及近表面材料成分表征分析工具之一，通过具有一定能量的一次离子轰击样品的表面，引起样品表面的原子、分子和原子团的发射，即二次粒子，这些二次粒子主要为中性，也有一部分带电荷，即为二次离子，通过对二次离子的加速及质量分离、探测，从而得到二次离子质谱，实现对表面成分的分析。二次离子质谱可以实现百万分之一甚至亿万分之一的微量掺杂的分析，是最灵敏的痕量元素分析工具，也可以对薄膜材料的结构进行表征。

二次离子质谱一个非常重要的功能是深度剖析谱，可以得到待测元素浓度随着样品深度变化的情况，同时可以通过样品基体材料信号的变化确定样品中不同薄膜的界面位置，一般是把基体材料信号强度变化的50%的位置作为界面的位置，但是由于基体效应，在薄膜材料的表征中，不同成分的薄膜层中，同一元素的二次离子产额差异非常大，导致了表征的困难，特别是在多层膜界面的位置，多层膜界面两侧的材料引起离子产额的变化可能是一个甚至几个数量级的，因而导致数据强度的明显偏移，引起利用传统方法表征的二次离子质谱数据中薄膜界面位置的明显偏差,造成界面附近元素分布、扩散分析的困难以及不同程序测试数据对比分析的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法，本发明是利用二次离子质谱仪探测器收集包含了多层膜界面两侧薄膜中特征元素组成的原子团簇型离子，利用该原子团簇型离子仅仅能在多层膜界面位置出现的特征，分析该原子团簇型离子信号，利用该原子团簇型离子信号的峰值位置确定样品界面的位置，以解决二次离子质谱分析中多层膜界面位置分析困难的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法，特征是：利用二次离子质谱仪探测器收集包含了多层膜界面两侧薄膜中特征元素组成的原子团簇型离子，分析该原子团簇型离子的信号，利用该原子团簇型离子信号的峰值位置确定样品界面位置。

可选的，所述原子团簇型离子由两种以上元素组成，多层膜界面两侧薄膜中各有至少一种特征元素。

可选的，所述原子团簇型离子中含有的特征元素的原子个数至少为1。

可选的，所述原子团簇型离子中含有非特征元素的原子，所述非特征元素的原子为多层膜界面两侧的共有元素原子或者一次离子束中的原子。

可选的，所述原子团簇型离子能与待测元素离子或待测原子团簇型离子一起测试，从而通过所述团簇型离子信号的峰值位置实现对待测元素离子或待测原子团簇型离子信号中的界面位置的确定。

可选的，所述原子团簇型离子能与待测元素离子或待测原子团簇型离子分别测试，通过数据处理比对后实现对待测元素离子或待测原子团簇型离子信号中界面位置的确定。

可选的，所述原子团簇型离子中含有待测元素，从而实现对待测元素直接分析。

可选的，所述一次离子源能为Cs

可选的，所述界面为AlN/Si界面、AlN/GaN界面、Ag/GaN界面、AlN/Al

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在利用二次离子质谱表征薄膜材料时，在不增加测试原材料损耗与仪器运行成本的条件下，无需数据拟合，仅使用实验数据即可直接标定待测样品中多层膜的界面位置，提高表征精度，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明实施例的操作流程图；

图2为本发明实施例中利用AlSi

图3为本发明实施例中利用AlSiN

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进一步说明。此外，本发明的附图均采用非常简化的非精准比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明。

实施例1：

一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法，如图1所示，具体步骤如下：

1）利用二次离子质谱仪探测器分析Si衬底上生长的AlN薄膜样品，在测试时待测元素是Si和Al。在二次离子质谱对样品进行表征时，利用设计能量的Cs+离子轰击样品的表面，产生的二次粒子中有部分电离，为二次离子，通过设计的偏压提取其中的阴离子，进行分离和探测，如Al

2）采集Al

3）因为Al、Si两种元素仅在界面位置才会同时出现，利用AlSi

4）利用上一步确定的界面位置，结合探测到的Al

实施例2：

一种适用于二次离子质谱分析的多层膜界面位置表征方法，如图1，具体步骤如下：

1）利用二次离子质谱仪探测器分析Si衬底上生长的AlN薄膜样品，在测试时待测元素是Si和Al。在二次离子质谱对样品进行表征时，利用设计能量的Cs

2）采集CsAl

3）因为Al、Si、N三种元素仅在界面位置才会同时出现，利用AlNSi

4）利用上一步确定的界面位置，分析界面附近Si和Al，或其他掺杂或者污染元素的情况，如Mg、In、Fe等。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。