Den presenterte metoden beskriver hvordan man identifiserer og løser måleartefakter relatert til sekundærionmassespektrometri samt oppnå realistiske 3D-fordelinger av urenheter/dopanter i faststoffmaterialer.
Den presenterte protokollen kombinerer utmerkede deteksjonsgrenser (1 ppm til 1 ppb) ved bruk av sekundær ionmassespektrometri (SIMS) med rimelig romlig oppløsning (~ 1 μm). Videre beskriver den hvordan man kan oppnå realistiske tredimensjonale (3D) fordelinger av segregerte urenheter/dopanter i faststoffmaterialer. Rekonstruksjon av direkte 3D-dybdeprofiler er ofte vanskelig å oppnå på grunn av SIMS-relaterte måleartefakter. Her presenteres en metode for å identifisere og løse denne utfordringen. Tre hovedspørsmål diskuteres, inkludert i) ujevnheten til detektoren som kompenseres ved flatfeltkorreksjon; ii) vakuumbakgrunnsbidrag (parasittiske oksygentall fra restgasser tilstede i analysekammeret) estimeres og trekkes fra; og iii) ytelsen til alle trinnene innenfor en stabil tidsperiode for den primære ionekilden. Våt kjemisk etsing brukes til å avsløre posisjon og typer dislokasjon i et materiale, deretter legges SIMS-resultatet over bilder oppnådd ved skanning elektronmikroskopi (SEM). Dermed kan plasseringen av agglomererte urenheter være relatert til plasseringen av visse feil. Metoden er rask og krever ikke sofistikert prøveprepareringsfase; Det krever imidlertid en stabil ionkilde av høy kvalitet, og hele målingen må utføres raskt for å unngå forringelse av primærstråleparametrene.
Sekundær ionmassespektrometri (SIMS) er en velkjent teknikk som brukes til forurensningsovervåking med utmerkede deteksjonsgrenser 1,2,3,4,5,6. Vakuumbakgrunnsbidrag kan være problematisk for lette elementer (f.eks. hydrogen, karbon, nitrogen, oksygen), som kan være tilstede i form av restgasser i et målekammer. Peres et al. har tidligere etablert en teknikk for å estimere bakgrunnsbidrag; Dermed kan en realistisk konsentrasjon av forurensende atomer bestemmes7.
I mange materialer er fordelingen av forurensende atomer ikke jevn. Saken av galliumnitrid (GaN) er spesielt interessant, da det antas at oksygen hovedsakelig dekorerer skrue og blandede dislokasjoner 8,9,10,11. Tatt i betraktning at de fleste analysemetoder mangler følsomhet eller romlig oppløsning for å oppdage forurensende atomer med lav konsentrasjon, er det viktig å utvikle en SIMS-måleprosedyre som er i stand til 3D-lokalisering av segregerte urenheter12.
Mens mange SIMS-spektrometre er utstyrt med posisjonsfølsomme detektorer, er en direkte tredimensjonal (3D) rekonstruksjon av en dybdeprofil utilstrekkelig for å oppnå realistisk fordeling av oksygenatomer i en GaN-prøve. Ufullkommenhet av detektoren kan forvrenge bildet og hindre forskere i å oppnå en realistisk fordeling av forurensende atomer. Et stort problem er imidlertid vakuumbakgrunnsbidrag, da vanligvis >90% av registrerte oksygentall stammer fra restgasser som er tilstede i analysekammeret. Her presenteres en metode for å identifisere og tilstrekkelig løse hver av disse utfordringene.
Ujevnhet av detektoren kan testes på en tom silisiumskive. Selv en lang integrasjonstid kan føre til observasjon av noe sekundært ionbildeujevnhet, på grunn av varierende følsomhet for hver kanal i en mikrokanalplatedetektor. Derfor er flatfeltkorreksjon nødvendig for å oppnå bilder av høy kvalitet av 3D-distribusjoner av segregerte atomer.
Vakuumbakgrunnsbidrag er relatert til en strøm av forurensende atomer fra vakuumet adsorbert på analyseområdet. Med tanke på at prosessen er dynamisk (dvs. prøveoverflaten blir konstant sputtered av primærstrålen), kan det antas at hvert punkt i det analyserte området har samme sannsynlighet for å adsorbere disse oksygenatomer. Videre blir de nesten umiddelbart sputtered og har ikke nok tid til å segregere. Derfor er en statistisk tilnærming den mest effektive. Tilfeldig eliminering av 90% (eller mer) av oksygentallet skal avsløre regioner der oksygen er agglomerert.
Det skal bemerkes at stabiliteten til primærstrålen er avgjørende for denne typen eksperiment. Etter en tid forverres intensiteten og homogeniteten til strålen, noe som reduserer kvaliteten på bildet. Det er derfor viktig å estimere et tidsrom for stabil drift av strålen og utføre alle eksperimenter før strålen blir ustabil. Protokollen kan enkelt brukes til andre materialer og oppdagede elementer der ujevn fordeling forventes. Det er spesielt interessant å kombinere dette med våt kjemisk etsing, som avslører posisjoner og typer av dislokasjon. Dermed kan plasseringen av agglomererte urenheter korreleres med feilposisjonen.
Problemer med ujevnhet av detektoren og vakuumbakgrunnsbidraget er enkle å løse ved henholdsvis flatfeltkorreksjon og subtraksjon av parasittiske tellinger. Subtraksjonsprosedyren er ikke perfekt, da den kan trekke fra et bidrag der oksygen har blitt agglomerert. I kontrast, i den andre posisjonen, vil den la bakgrunnstellingen være upåvirket; Dermed kan noen kunstige tellinger fortsatt være til stede, mens noen reelle tellinger reduseres. Likevel er det effektivt og følsomt nok til å gi akseptable resultater.
Den primære stråleinstabiliteten er den mest problematiske, da forringelse av primærstråleparametrene vil uskarpe det sekundære ionbildet; Dermed kan ingen pålitelig informasjon om prøven oppnås. Punkt 3.2 i protokollen er særlig viktig. For eksempel, for en godt justert stråle, reflekterer det første 30Si2– sekundærionbildet ujevnheten til detektoren, men etter en tid vil bildet begynne å endre seg. Dette skyldes forringelse av primære stråleparametere (dvs. tap av primærstrøm, defokusering, posisjonsdrift osv.). Det er derfor viktig å estimere tidsperioden for strålestabilitet. Det anbefales å starte eksperimentet 2-3 timer etter initialisering av strålen, da den vanligvis er mer stabil.
Hvis eksperimentet utføres innenfor en stabil tidsperiode for strålen og resultatet fortsatt ikke er tilfredsstillende, anbefales det å vurdere kvaliteten på primærstrålen. For en liten primærstråle er det mer utfordrende å bekrefte tilstrekkelig kvalitet ved kun å observere et sekundærionbilde. Det anbefales derfor å utføre atomkraftmikroskopiske ruhetstester på kraterbunnen etter sputtering ~ 1 μm av et veldig flatt materiale (dvs. en tom silisiumskive). Hvis rotmiddelets kvadrerte ruhet er over 1 nm, er det nødvendig med ytterligere optimalisering av primærstrålen.
Størrelsen på strålen begrenser sideoppløsningen av denne metoden. SIMS kan avbilde funksjoner som er mindre enn strålestørrelsen, men det sekundære ionbildet vil arve formen og størrelsen på den primære ionstrålen. Hvis en avstand mellom to formasjoner er mindre enn størrelsen på strålen, vil det sekundære ionbildet gjøre dem uskarpe sammen. Til tross for disse problemene tillater metoden brukere å oppnå en realistisk 3D-fordeling av urenheter / dopanter i faste tilstandsprøver. Videre kan enhver romlig segregering av atomer korreleres med plasseringen av defekter og grensesnitt.
For GaN-baserte strukturer (dvs. oksygendekorerte) er dislokasjoner som virker som lokale ikke-radiative rekombinasjonssentre ansvarlige for n-type ledningsevne. For andre materialer kan enhver inhomogenitet i dopant/forurensende atomers fordeling ha stor innvirkning på ytelsen til en enhet. Dermed er protokollen spesielt nyttig for feilanalyse og optimalisering av vekst- og prosesseringsprosedyrer.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av National Science Centre (NCN) i prosjektene SONATA14/31/D/ST5/00399 og OPUS10 2015/19/B/ST7/02163.
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 |