本發(fā)明屬于表面分析
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種用濺射深度剖析技術(shù)確定薄膜中元素成分深度分布的方法。
背景技術(shù)：
：濺射深度剖析已成為表面分析一種常規(guī)的檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體摻雜、涂層、特殊鋼鐵制造等工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品研發(fā)及質(zhì)量控制，以及物理、化學(xué)、生物、先進(jìn)材料等學(xué)術(shù)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究。而對(duì)于該技術(shù)，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是將測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成元素成分的濃度-深度譜，這也是濺射深度剖析技術(shù)最主要的目的，即直觀的反映出薄膜材料中的各元素成分的深度分布。在已知薄膜厚度的條件下，將測(cè)量的濺射時(shí)間轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的濺射深度的方法已發(fā)展的非常成熟，但目前將測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成濃度普遍采用的方法，即“相對(duì)靈敏度因子”方法，還存在很大的局限性。“相對(duì)靈敏度因子”方法對(duì)信號(hào)強(qiáng)度與濃度的轉(zhuǎn)換表達(dá)式為：其中，C為元素濃度，I為元素的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)于某些濺射儀器，比如輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀(GD-Tof-MS)，檢測(cè)的是某種元素同位素的信號(hào)強(qiáng)度，這樣就需要考慮到元素豐度的問題，因此，濃度表達(dá)式修正為：其中I′i為元素i某種同位素的信號(hào)強(qiáng)度，Ai為元素i的豐度值。由“相對(duì)靈敏度因子”法濃度表達(dá)式可以看出，該方法得到的濃度只是某時(shí)刻t濺射儀器檢測(cè)到的某元素的信號(hào)強(qiáng)度與檢測(cè)到的所有元素信號(hào)強(qiáng)度的比值。對(duì)于輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀來說，探測(cè)得到的原始信號(hào)強(qiáng)度是某種元素同位素的強(qiáng)度，現(xiàn)有方法是將同位素的強(qiáng)度除以該元素的豐度值得到該元素的信號(hào)強(qiáng)度，而豐度值是不確定的，而將質(zhì)譜測(cè)量的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成濃度時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)到的同位素除以豐度值，而豐度值又是不確定的，導(dǎo)致濃度也不準(zhǔn)確。而且目前的濺射深度剖析儀器，均不能檢測(cè)到所有被濺射出來的粒子，檢測(cè)到的粒子數(shù)與濺射出的粒子數(shù)成一定的比例關(guān)系，比例系數(shù)定義為每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k，并認(rèn)為在同一條件下，對(duì)不同元素產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k不同。在濺射深度剖析技術(shù)中，濃度是濺射出的某一種元素的粒子數(shù)與濺射出的總粒子數(shù)的比，而不是檢測(cè)到的粒子數(shù)之比，由于沒有考慮濺射儀器對(duì)不同元素的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度的不同，而導(dǎo)致現(xiàn)有方法的不準(zhǔn)確。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明實(shí)施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種用濺射深度剖析技術(shù)確定薄膜中元素成分深度分布的方法，解決現(xiàn)有技術(shù)沒有考慮濺射儀器對(duì)不同元素的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度的不同、質(zhì)譜測(cè)量的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成濃度時(shí)，需要對(duì)檢測(cè)到的同位素除以豐度值，而豐度值又是不確定的而導(dǎo)致得到的濃度不準(zhǔn)確等問題。為了實(shí)現(xiàn)上述的目的，采用如下的技術(shù)方案：一種用濺射深度剖析技術(shù)確定薄膜中元素成分深度分布的方法，主要包括以下步驟：(a)測(cè)量確定待測(cè)多層薄膜的膜厚；(b)對(duì)待測(cè)多層薄膜進(jìn)行濺射深度剖析，獲得樣品信號(hào)強(qiáng)度-濺射時(shí)間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；(c)再利用步驟(b)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中信號(hào)強(qiáng)度得出元素i的總信號(hào)強(qiáng)度；(d)通過深度公式求出濺射深度-時(shí)間關(guān)系；(e)通過對(duì)深度公式求微分求出濺射速率-時(shí)間關(guān)系；(f)通過濃度公式求出濃度-時(shí)間關(guān)系；(g)由步驟(d)得到的濺射深度-時(shí)間關(guān)系和步驟(f)得到的濃度-時(shí)間關(guān)系最終獲得濃度-濺射深度關(guān)系，即元素i的成分深度分布。進(jìn)一步的，步驟(a)所述確定待測(cè)層薄膜結(jié)構(gòu)的膜厚采用的是高分辨透射電子顯微鏡。進(jìn)一步的，步驟(b)所述對(duì)待測(cè)多層薄膜進(jìn)行濺射深度剖析采用的是輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀。進(jìn)一步的，步驟(c)所述元素i為薄膜中各元素。進(jìn)一步的，步驟(c)元素i的總信號(hào)強(qiáng)度的計(jì)算方法為對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的各時(shí)間段的信號(hào)強(qiáng)度累加。進(jìn)一步的，步驟(d)所述的濺射深度公式為：Di為材料中元素i總厚度，Ii為信號(hào)強(qiáng)度，Di(t)為i元素的t時(shí)刻的濺射深度。進(jìn)一步的，步驟(e)所述濺射速率公式為：Di為材料中該元素總厚度，Ii為信號(hào)強(qiáng)度，Vi為i元素的t時(shí)刻的濺射速率。進(jìn)一步的，步驟(f)所述濃度公式為：其中ρ為元素i的密度，Di為材料中元素i總厚度，Mi為元素i的相對(duì)原子質(zhì)量，Ii為信號(hào)強(qiáng)度，Ci為元素i的摩爾濃度。不同的濺射深度剖析儀器，對(duì)濺射粒子產(chǎn)生的信號(hào)的檢測(cè)方式不同，但是無論如何，目前的濺射深度剖析儀器均不能做到完全檢測(cè)到濺射出來的同種元素所有粒子強(qiáng)度信號(hào)。本發(fā)明定義K為每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來解釋K：假如濺射出1個(gè)粒子產(chǎn)生1個(gè)單位信號(hào)，而這1個(gè)單位信號(hào)被接收的概率可能是0，可能是1，而濺射了10000個(gè)同種元素的粒子會(huì)產(chǎn)生10000個(gè)單位的信號(hào)，但是由于各種原因儀器只檢測(cè)到5000個(gè)單位的信號(hào)強(qiáng)度，因此我們假設(shè)平均每個(gè)粒子產(chǎn)生的0.5個(gè)單位信號(hào)強(qiáng)度。由公式(3)可以求出k值，且認(rèn)為在相同的條件下，濺射不同種元素時(shí)K值不同，而濺射同種元素時(shí)K值不變。假設(shè)在同一次濺射中，每個(gè)原子的體積是一定的，樣品的體積是各個(gè)原子的體積和。這樣，各個(gè)元素的量就可以用體積來計(jì)算，也就是原子個(gè)數(shù)乘以單個(gè)原子的體積，由于在測(cè)量過程中濺射樣品的面積是不變，因此探測(cè)元素的量也就可以用厚度來表示。類似的，元素在某一深度處的濃度也就可以用厚度(或者體積)來表示，即單位厚度(體積)薄膜中某元素含有的厚度(體積)。如需轉(zhuǎn)變成摩爾濃度，只要經(jīng)過簡(jiǎn)單推導(dǎo)便可以求出單位粒子數(shù)含有的某元素粒子數(shù)。由質(zhì)量守恒定律知，元素i在濺射全過程產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度與元素i的總粒子數(shù)的關(guān)系應(yīng)滿足：其中ρ為元素密度，s為材料面積，Di為材料中該元素總厚度，N為阿佛加德羅常數(shù)，Mi為相對(duì)原子質(zhì)量。Ii為信號(hào)強(qiáng)度，Ki為每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度。通過高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)可以得到層結(jié)構(gòu)材料中元素的總厚度Di。由深度剖析測(cè)量得到的原始數(shù)據(jù)(I(t))可以獲得總的濺射元素的信號(hào)強(qiáng)度，在某一濺射時(shí)刻t滿足：在該時(shí)刻t，被濺射的樣品厚度為：而i元素的t時(shí)刻的濺射速率則為對(duì)濺射厚度D(t)的微分:因此，元素i體積濃度為:轉(zhuǎn)換成摩爾濃度為：對(duì)濃度的定義為某一時(shí)刻濺射的某種元素的體積與該時(shí)刻濺射的所有元素的體積的比。而體積正比于濺射深度。因此濃度即為濺射深度的比。濺射速率是濺射深度的微分，但是對(duì)于某一時(shí)刻，即時(shí)間間隔趨近于0時(shí)來說，濺射速率不發(fā)生改變，因此可以近似看成濺射深度等于濺射時(shí)間與濺射速率的乘積。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀(GD-Tof-MS)得到的信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成濃度-深度譜時(shí)，由于探測(cè)到的信號(hào)為元素同位素的強(qiáng)度，因此，需要考慮到豐度值，而對(duì)于不同的儀器設(shè)備，豐度值是不確定的。本發(fā)明考慮了豐度值的不確定性、以及不同元素的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k不同，對(duì)元素濃度的影響。通過質(zhì)量守恒定律，消除了豐度值對(duì)元素濃度的影響，并且推導(dǎo)出了考慮每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k后元素新的濃度表達(dá)式。也就消除了不確定的豐度值對(duì)元素濃度的影響。能夠準(zhǔn)確的將測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成元素的濃度。本發(fā)明還綜合了多種能夠影響濃度值的因素，使求出的濃度值更為準(zhǔn)確。只有在獲得真實(shí)的濃度-深度關(guān)系前提下，才能準(zhǔn)確的得到薄膜中各元素深度分布情況。附圖說明圖1是本發(fā)明用濺射深度剖析技術(shù)確定薄膜中元素成分深度分布的方法的流程圖；圖2是本發(fā)明的方法在600Pa40w條件下測(cè)量得到的鎳-鉻多層膜的強(qiáng)度-時(shí)間譜；圖3是計(jì)算得到的在600pa40w鎳-鉻多層膜的濺射深度-時(shí)間譜；圖4是本發(fā)明的方法在600Pa40w條件下鎳、鉻、硅濺射速率與時(shí)間的關(guān)系圖；圖5是本發(fā)明的方法在600Pa40w條件下，鎳-鉻多層膜濃度-時(shí)間譜；圖6是本發(fā)明的方法在600pa40w條件下，鎳-鉻多層膜的濃度-深度譜；圖7是本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法得到的鎳-鉻多層膜在600Pa40w條件下的濃度-時(shí)間關(guān)系；圖8是本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法得到的鎳-鉻多層膜在600Pa50w條件下的濃度-時(shí)間關(guān)系；圖9是本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法得到的鎳-鉻多層膜在400Pa60w條件下的濃度-時(shí)間關(guān)系；圖10是本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法得到的鎳-鉻多層膜在400Pa40w條件下的濃度-時(shí)間關(guān)系；圖11是本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法得到的鎳-鉻多層膜在400Pa50w條件下的濃度-時(shí)間關(guān)系。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。實(shí)施例1本實(shí)施例以將輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀(GD-Tof-MS)測(cè)量的鎳-鉻多層膜(鎳216nm，鉻202nm)的信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成濃度-深度譜為例，進(jìn)一步說明基于濺射深度剖析分析薄膜中各元素深度分布的方法具體的步驟，如圖1所示，主要包括：先推導(dǎo)后鎳、鉻元素濃度及相應(yīng)深度的表達(dá)式分別為：(一)通過高分辨透射電子顯微鏡(HR-TEM)確定待測(cè)層薄膜結(jié)構(gòu)的膜厚；(二)利用如輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀對(duì)樣品進(jìn)行深度剖析，獲得樣品如圖2所示的信號(hào)強(qiáng)度-濺射時(shí)間譜；(三)再利用步驟(二)所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中信號(hào)強(qiáng)度得出元素i的總信號(hào)強(qiáng)度；(四)將測(cè)量得到的信號(hào)強(qiáng)度-濺射時(shí)間譜，利用(9)與(10)式轉(zhuǎn)換成濃度-時(shí)間譜，如圖5所示；(五)利用(11)式得到濺射深度-時(shí)間關(guān)系如圖3所示；(六)通過對(duì)深度公式求微分計(jì)算各元素t時(shí)刻的濺射速率，如圖4所示；(五)深度-時(shí)間譜及濃度-時(shí)間譜將測(cè)量的信號(hào)強(qiáng)度-時(shí)間譜轉(zhuǎn)換成濃度-深度譜，如圖6所示，即元素i的成分深度分布。實(shí)施例2為了將本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法進(jìn)行鮮明的對(duì)比，本實(shí)施例以輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀(GD-Tof-MS)在不同條件下得到的鎳-鉻多層膜(鎳216nm，鉻202nm)深度譜為例與“相對(duì)靈敏度因子”法進(jìn)行對(duì)比：本發(fā)明的方法的濃度表達(dá)式為：從本發(fā)明的方法的濃度表達(dá)式可以推導(dǎo)出：元素的豐度值的影響被消除，因此，即使元素豐度值不確定，也不會(huì)對(duì)元素濃度產(chǎn)生影響?！跋鄬?duì)靈敏度因子”方法的濃度表達(dá)式：其中因子0.096和0.262分別是Cr元素和Ni元素的豐度值，前面已經(jīng)提到過，元素豐度值依賴于測(cè)量條件，具有不確定性，將測(cè)量的原始數(shù)據(jù)用不確定豐度值來處理，得到的濃度值也具有不確定性?，F(xiàn)假設(shè)將本發(fā)明的方法的濃度表達(dá)式中的Cr53和Ni60的信號(hào)強(qiáng)度除以各自的豐度值B1、B2得到Cr元素和Ni元素的信號(hào)強(qiáng)度，但是濃度值仍不變，現(xiàn)將其做形式上的變換：經(jīng)過比較，當(dāng)時(shí)，兩種方法得到結(jié)果相同，此時(shí)儀器對(duì)Cr和Ni的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k1＝k2，但實(shí)際情況中，不同元素每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k往往不同。已知這塊薄膜中濺射出來的各材料的總的粒子數(shù)為：其中S為薄膜面積，D為該元素的總厚度，m為該元素的相對(duì)原子質(zhì)量，ρ為該元素在這塊薄膜中的密度，k1、k2分別為Cr、Ni的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度。以下為在不同條件下用輝光放電時(shí)間飛行質(zhì)譜儀(GD-Tof-MS)濺射鎳-鉻多層膜時(shí)Cr和Ni的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k比，即如表1所示:表1不同條件下用GD-Tof-MS濺射鎳-鉻多層膜時(shí)Cr和Ni的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的k之比40w50w60w600Pa1.0121.0110.956400Pa0.7450.3421.006從這表1可以看出，在600Pa40w，600Pa50w，400Pa60w條件下，本發(fā)明的方法與“相對(duì)靈敏度因子”法的得到的時(shí)間-濃度關(guān)系如圖7、圖8和圖9所示?？梢詮闹锌闯?，在有些條件下，如600Pa40w，600Pa50w，400Pa60w條件下，濺射過程中，儀器對(duì)Cr和Ni的每個(gè)同種元素粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k近似相等時(shí)，用本發(fā)明的方法和“相對(duì)靈敏度因子法”處理得到的濃度近似相同。但是在400Pa40w和400Pa50w條件下用兩種方法得到的濃度卻差別很大。如圖10和圖11所示，這說明在某些條件下，如400Pa40w和400Pa50w，濺射儀器對(duì)Cr和Ni的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k存在很大差異，而相對(duì)靈敏度因子法沒有考慮到某些條件下，不同元素的每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k差異很大，導(dǎo)致得到的濃度與真實(shí)濃度分布差別巨大。而本發(fā)明的方法充分考慮到每個(gè)同種元素的粒子產(chǎn)生的平均信號(hào)強(qiáng)度k對(duì)濃度的影響，很大程度上提高了將測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成濃度的精確度。以上所揭露的僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3