Centro de Ciencias de la Materia Condensada

Transcripción

1 Centro de Ciencias de la Materia Condensada Maestría en Ciencia e Ingeniería de Materiales Fenómenos de Superficie Tema: Espectrometría de Masas de Iones Secundarios (SIMS * ) Maestro: Dr. Wencel De La Cruz Alumno: Felipe Ramírez Hdez. Ensenada, Baja California, México a 31 de Agosto de 2007 SIMS Aplicación cerca de los 1980s La emisión de iones secundarios se observo aproximadamente hace 75 años atrás. Análisis elemental de la composición del material en función de su profundidad. Es una técnica destructiva Industria de los semiconductores Polímetros Con alta sensibilidad Biosensores 1

2 Fundamentos de SIMS Técnica de detección n de iones, se basa en el fenómeno de sputtering (dispersión n ) de partículas centradas en un blanco las cuales son bombardeadas por iones, átomos o moléculas. Desorción de partículas positivas( iones secundarios),negativas, neutras y fotones, bajo un haz primario (típicamente de Cs+, O2+, Ar+) entre 1 KeV<Ep<30 KeV El proceso de dispersión n (sputtering) puede ser descrito por los principios de la mecánica clásica acerca de colisiones binarias de iones primarios en átomos como un objetivo. Dependiendo del rango de energía a de la partícula primaria, colisiones elásticas e inelásticas ocurren. En el rango de los kev las interacciones dominantes son las elásticas. Pueden ser descritas como un valor llamado nuclear stopping power que es definido por la perdida de energía a de la partícula primaria por longitud libre: de dx n Las colisiones inelásticas aumentan como aumenta la energía. Las colisiones inelásticas son mas comunes el rango de energía a de los MeV.. El valor correspondiente a esta interacción n se denomina electrónica stopping power. de dx e Proceso de Sputtering 2

3 Distribución n de energía a de los iones secundarios El proceso de dispersión n produce iones secundarios en el rango de las energías cinéticas traslacionales. Las distribuciones de energía a distintivamente diferente para iones atómicos o moleculares. Que es SIMS? SIMS es una técnica t de análisis de superficies usada para caracterizar la región n de superficie y sub-superficie superficie de los materiales. Emplea la espectrometría a de masa de partículas Ionizadas que son emitidas cuando una superficie sólida es bombardeada con iones primarios. 3

4 Clasificación n general SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) por sus siglas en ingles se clasifica: SIMS D-SIMS (Dynamic) S-SIMS (Static) Que información n nos brinda? Identificación n de los elementos en la superficie Mapa de distribución n de las superficies Identificación n de especies moleculares en las superficies Distribución n de la profundidad Determinación n de la relación n de los isótopos (Dsims) Análisis de trazas de los elementos. Parámetros experimentales E p (100 ev-10ke) y hasta 30Ke en DSIMS. Ip (<5 na). Pero mucho mayor para DSIMS Lo que vean en el laboratorio 4

5 Ecuación n básicab Corriente de partículas secundarias de especies A detectadas (cps( cps): I(A A q) = Ip.Y.a(Aq Aq).c( ).c(a).t).t q = estado de la carga (i.e. + o -) Ip = densidad de corriente primaria (iones/sec) Y = Eficiencia total del sputtering a(a A q) = Probabilidad de ionización n del tipo de carga q c (A) = Fracción n de concentración n de la especie A en la matriz T = Función n respuesta del instrumento (f unción n transmisión, n, Eficiencia del instrumento) Eficiencias para la cuantificación Y d (A)= número n de especies A esparcidas/no.de iones primarios σ(a)=y d (A)/ζ(A) ζ(a,f pi )=ζ(a) 0 Exp[- σ(a) F pi pi ] P(A Xi)=No de partículas emitidas Xi/numero de especies A esparcidas Y q (Xi)=No de partículas Xi/No.de iones primarios Y(Xi)=No de Xi detectadas/no.de iones primarios Y u (Xi (A))=No de Xi detectadas/no.de especies A esparcidas 5

6 Método de cuantificación n RFS(practical sensivity factor) S (Xi(A))=I A (Xi)/ (ζ(a)*i( (A)*I pi pi ) RSF= S (Xi(A))/ S (Xi(B))= IA (Xi (A))* ζ(a)/ (A)/IB (Xi (A))* ζ(b) (B)= Finalmente se puede calcular la concentración n atómica de la especie como: Concentración n atómicas (S)(cuentas del dopante)/cuentas de la matriz Eficiencia de iones secundarios - efectos elementales La eficiencia de ionización n del SIMS es definida coma la fracción n de los átomos esparcidos que se vuelven ionizados. Las eficiencias varían an con respecto al elemento de análisis en varios ordenes de magnitud. Las mas obvias influencias son el potencial de ionización y la afinidad electrónica de lo iones negativos. La grafica es relativa al silicio 6

7 Eficiencia de iones primarios esparcidos Eficiencia de iones secundarios positivos bombardeo con O + 2 7

8 Eficiencia de iones secundarios negativos bombardeo con Cs + Limites de detección n y resolución En general a mayor velocidad de erosión n mejor sensibilidad, por lo que a corriente alta el haz primario de iones de alta energía a es el ideal. Pero, desafortunadamente con la energía, no solo la eficiencia del sputtering aumenta, tambien la profundidad de penetracion y el volumen de cascada (daño o inducido, perturbación n ). 8

9 Tiempo de vida de la monocapa y limite estático Siendo las condiciones en las cuales se mantiene la integridad de la monocapa dentro de un determinado tiempo-escala escala durante el análisis. La distinción n entre condiciones dinámicas y estáticas ticas podemos comprenderlas analizando el tiempo de vida (t( m ) en la primera capa atómica encontrada en superficie. t m 5 10 = I p x A y Donde: A = área en superficie [cm 2 ] y = parte dispersada I p = Flujo primario de partícula [cm -2 ] Nota: La Densidad de átomos sobre superficie es 10 5 átomos/cm 2 Espectro SIMS 9

10 Eficiencia de Iones secundarios- Efecto del haz primario Otros factores afectan la eficiencia de la producción n de iones secundarios en el SIMS: bombardeo con Oxigeno aumenta la eficiencia de iones negativos. bombardeo con Cesio aumenta la eficiencia de iones negativos Las eficiencias se incrementan en 4 orden de magnitud Proceso de concertación n de especies positivas y negativas. La asistencia del oxigeno ocurre como resultado de la de los enlaces metal- oxigeno en una zona enriquecida con oxigeno. Cuando estos enlaces s se rompen durante la emisión n de iones, el oxigeno se carga negativamente debido su alta afinidad electrónica, favorece a la captura y su alto potencial de ionización n inhibe las positivas. El metal es aislado entonces de cargas positivas. Además, el bombardeo con oxigeno incrementa la concentración de oxigeno en la superficie. La asistencia de iones asistidos con bombardeo de Cesio se pueden explicar por funciones trabajo que son reducidas por la implantaci ción n de cesio en la superficie de la muestra. Mas electrones secundarios son excitados sobre la superficie de la barrera de potencial. Incrementar entar la disponibilidad de electrones nos lleva a la formación n de iones negativos. 10

11 Modos de operación n del ToF-SIMS (1) Espectroscopia de superficies (2)Imagen de la superficie (3)Perfil de profundidad La siguiente figura muestra un espectro de una partícula de ceniza de carbón. El espectro claramente muestra Li, Be, B, C,O, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, Fe,Zr, Ba, Pb, U, Th. Iones Moleculares como TiO, FeO,BaO,ThO,y UO a 64,72,154,248 y 254 respectivamente ejey muestra las abundancias isotópicas del elemento, por ejemplo el silicio. 11

12 INFORMACION ISOTOPICA oxígeno abundancia(%) tungsteno abundancia(%) estables sintético sintético

13 Resolución n de profundidad SIMS (3)Modo imagen 13

14 Cuadrupolo Sector magnético Tempo de vuelo (Time-of of-flight) Analizadores CUADRUPOLO 14

15 Cuadrupolo Usa una convinacion de campo electrico de DC y RF aplicado a cuatro cilindros paralelos con el fin de separar los iones con respecto a su relacion m/z. Time-of of-flightflight -Pulsos de los iones secundarios son acelerados al potencial dado (3-8 8 kev) a todos los iones que poseen a la misma k.e, son permitidos entrar dentro de un espacio libre (trayectoria de vuelo) antes de llegar al detector - El tiempo de vuelo t que recorre una longitud de vuelo L esta dado por t = m L 2zV 1 2 t m/ z 15

16 ESQUEMA DEL ToF Bibliografía A.Benninhoven,C.A Evans. Secondary ion mass espectrometry SIMSII.. Springer - Verlag 1979 H.Bubbert,, H. Jennet. Surface & thin films Analysis. Wiley-vch 2002 E Hoffmann, V. Stroobant. Mass espectroscopy, priciples y aplications. 2nd Ed.1999 D.P. Woodruff T.A. Delchar. Modern techniques of Surface Science.. 2nd. Ed.1994 J.M.Walls. Methods of Surface analysis.. Techniques & aplications. Cambridge.1989 J.M.Walls, R. Smith Surface Science Methods. Pergamon El Sevier Science. 16

17 Thank you for your cooperation! FIN 17