Den præsenterede metode beskriver, hvordan man identificerer og løser måleartefakter relateret til sekundær ionmassespektrometri samt opnår realistiske 3D-fordelinger af urenheder / doteringsmidler i faststofmaterialer.
Den præsenterede protokol kombinerer fremragende detektionsgrænser (1 ppm til 1 ppb) ved anvendelse af sekundær ionmassespektrometri (SIMS) med rimelig rumlig opløsning (~ 1 μm). Desuden beskriver den, hvordan man opnår realistiske tredimensionelle (3D) fordelinger af adskilte urenheder / doteringsmidler i faststofmaterialer. Direkte 3D-dybdeprofilrekonstruktion er ofte vanskelig at opnå på grund af SIMS-relaterede måleartefakter. Her præsenteres en metode til at identificere og løse denne udfordring. Tre hovedspørgsmål diskuteres, herunder i) detektorens uensartethed, der kompenseres ved korrektion af fladt felt; ii) vakuumbaggrundsbidrag (parasitilttal fra restgasser i analysekammeret), der estimeres og fratrækkes og iii) udførelse af alle trin inden for et stabilt tidsrum for den primære ionkilde. Våd kemisk ætsning bruges til at afsløre positionen og typerne af dislokation i et materiale, hvorefter SIMS-resultatet overlejres på billeder opnået via scanningelektronmikroskopi (SEM). Således kan placeringen af agglomererede urenheder relateres til placeringen af visse defekter. Metoden er hurtig og kræver ikke sofistikeret prøveforberedelsesfase; Det kræver dog en stabil ionkilde af høj kvalitet, og hele målingen skal udføres hurtigt for at undgå forringelse af de primære stråleparametre.
Sekundær ionmassespektrometri (SIMS) er en velkendt teknik, der anvendes til kontamineringsovervågning med fremragende detektionsgrænser 1,2,3,4,5,6. Vakuumbaggrundsbidrag kan være problematisk for lette elementer (f.eks. hydrogen, kulstof, nitrogen, ilt), som kan være til stede i form af restgasser i et målekammer. Peres et al. har tidligere etableret en teknik til at estimere baggrundsbidrag; Således kan en realistisk koncentration af forurenende atomer bestemmes7.
I mange materialer er fordelingen af forurenende atomer ikke ensartet. Tilfældet med galliumnitrid (GaN) er særligt interessant, da det forudsiges, at ilt hovedsageligt dekorerer skrue og blandede forskydninger 8,9,10,11. I betragtning af at de fleste analysemetoder mangler følsomhed eller rumlig opløsning til at detektere kontaminerende atomer med lav koncentration, er det vigtigt at udvikle en SIMS-måleprocedure, der er i stand til 3D-lokalisering af adskilte urenheder12.
Mens mange SIMS-spektrometre er udstyret med positionsfølsomme detektorer, er en direkte tredimensionel (3D) rekonstruktion af en dybdeprofil utilstrækkelig til at opnå realistisk fordeling af iltatomer i en GaN-prøve. Ufuldkommenhed af detektoren kan forvrænge billedet og forhindre forskere i at opnå en realistisk fordeling af forurenende atomer. Et stort problem er imidlertid vakuumbaggrundsbidrag, da >90% af de registrerede ilttal normalt stammer fra restgasser, der er til stede i analysekammeret. Her præsenteres en metode til at identificere og tilstrækkeligt løse hver af disse udfordringer.
Detektorens uensartethed kan testes på en blank siliciumskive. Selv en lang integrationstid kan føre til observation af en vis sekundær ionbilled uensartethed på grund af varierende følsomhed af hver kanal i en mikrokanalpladedetektor. Derfor er fladfeltkorrektion nødvendig for at opnå billeder af høj kvalitet af 3D-distributioner af adskilte atomer.
Vakuumbaggrundsbidrag er relateret til en flux af forurenende atomer fra vakuumet adsorberet på analyseområdet. I betragtning af at processen er dynamisk (dvs. prøveoverfladen konstant forstøves af primærstrålen), kan det antages, at hvert punkt i det analyserede område har samme sandsynlighed for at adsorbere disse oxygenatomer. Desuden er de næsten øjeblikkeligt forstøvet og har ikke tid nok til at adskille. Derfor er en statistisk tilgang den mest effektive. Tilfældig eliminering af 90% (eller mere) af ilttællinger bør afsløre regioner, hvor ilt er agglomereret.
Det skal bemærkes, at primærstrålens stabilitet er afgørende for denne type eksperiment. Efter nogen tid forringes strålens intensitet og homogenitet, hvilket reducerer billedets kvalitet. Det er derfor vigtigt at estimere et tidsrum for stabil drift af strålen og udføre alle eksperimenter, før strålen bliver ustabil. Protokollen kan let bruges til andre materialer og detekterede elementer, hvor der forventes uensartet fordeling. Det er især interessant at kombinere dette med våd kemisk ætsning, som afslører positioner og typer af dislokation. Således kan positionen af agglomererede urenheder korreleres med defekternes position.
Problemer med detektorens uensartethed og vakuumbaggrundsbidrag er lette at løse ved henholdsvis fladfeltkorrektion og subtraktion af parasittællinger. Subtraktionsproceduren er ikke perfekt, da den kan trække et bidrag, hvor ilt er blevet agglomereret. I modsætning hertil vil det på den anden position lade baggrundstællingen være upåvirket; Således kan nogle kunstige tællinger stadig være til stede, mens nogle reelle tællinger reduceres. Ikke desto mindre er det effektivt og følsomt nok til at give acceptable resultater.
Den primære stråles ustabilitet er den mest problematiske, da forringelse af de primære stråleparametre vil sløre det sekundære ionbillede; Der kan således ikke opnås pålidelige oplysninger om prøven. Afsnit 3.2 i protokollen er særlig vigtigt. For eksempel for en veljusteret stråle afspejler det første 30Si2– sekundære ionbillede detektorens uensartethed, men efter et stykke tid begynder billedet at ændre sig. Dette skyldes forringelse af primære stråleparametre (dvs. primærstrømstab, defokusering, positionsdrift osv.). Det er derfor vigtigt at estimere tidsrummet for strålestabilitet. Det anbefales at starte forsøget 2-3 timer efter initialisering af strålen, da den typisk er mere stabil.
Hvis forsøget udføres inden for et stabilt tidsrum for strålen, og resultatet stadig ikke er tilfredsstillende, anbefales det at overveje kvaliteten af primærstrålen. For en lille primærstråle er det mere udfordrende at bekræfte tilstrækkelig kvalitet ved kun at observere et sekundært ionbillede. Det anbefales derfor at udføre atomkraftmikroskopi-ruhedstest på kraterbunden efter forstøvning ~ 1 μm af et meget fladt materiale (dvs. en tom siliciumskive). Hvis rodmiddelkvadraturen er over 1 nm, kræves yderligere optimering af primærstrålen.
Strålens størrelse begrænser den laterale opløsning af denne metode. SIMS kan afbilde funktioner, der er mindre end strålestørrelsen, men det sekundære ionbillede arver formen og størrelsen på den primære ionstråle. Hvis afstanden mellem to funktioner er mindre end strålens størrelse, vil det sekundære ionbillede sløre dem sammen. På trods af disse problemer giver metoden brugerne mulighed for at opnå en realistisk 3D-fordeling af urenheder / doteringsmidler i faststofprøver. Desuden kan enhver rumlig adskillelse af atomer korreleres med placeringen af defekter og grænseflader.
For GaN-baserede strukturer (dvs. iltdekorerede) er forskydninger, der fungerer som lokale ikke-strålingsrekombinationscentre, ansvarlige for n-type ledningsevne. For andre materialer kan enhver inhomogenitet i doterings-/kontamineringsatomfordelingen have stor indflydelse på udstyrets ydeevne. Således er protokollen særlig nyttig til fejlanalyse og optimering af vækst- og behandlingsprocedurer.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev delvist støttet af National Science Centre (NCN) inden for SONATA14 2018/31/D/ST5/00399 og OPUS10 2015/19/B/ST7/02163 projekter.
Heating plate with ceramic top plate | IKA – Werke GmbH | 3644200 | for defect selective etching; yellow MAG HP 7 |
Hydrochloric acid (HCl) solution 35-38% | Chempur | 115752837 | for etchant removal; pure p.a.; CAS: 7647-01-0 |
Magnesium oxide (MgO) | Chempur | 116140200 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1309-48-4 |
Potassium hydroxide (KOH) | POCH S.A. | 746800113 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-58-3 |
Sodium hydroxide (NaOH) | POCH S.A. | 810925112 | for eutectic solid etchant prepration; pure p.a.; CAS: 1310-73-2 |
Secondary ion mass spectrometer | CAMECA | IMS SC Ultra | |
Scanning electron microscope | Hitachi | SU8230 |