Den presenterade metoden beskriver hur man identifierar och löser mätartefakter relaterade till sekundärjonmasspektrometri samt erhåller realistiska 3D-fördelningar av föroreningar/dopningsmedel i fasta material.
Det presenterade protokollet kombinerar utmärkta detektionsgränser (1 ppm till 1 ppb) med hjälp av sekundärjonmasspektrometri (SIMS) med rimlig rumslig upplösning (~1 μm). Vidare beskrivs hur man kan erhålla realistiska tredimensionella (3D) fördelningar av segregerade föroreningar/dopningsmedel i fasta material. Direkt rekonstruktion av 3D-djupprofiler är ofta svårt att uppnå på grund av SIMS-relaterade mätartefakter. Här presenteras en metod för att identifiera och lösa denna utmaning. Tre huvudfrågor diskuteras, inklusive i) olikformigheten hos detektorn som kompenseras med planfältskorrigering; ii) Vakuumbakgrundsbidrag (parasitiskt syre från restgaser som finns i analyskammaren) uppskattas och subtraheras. och iii) utförande av alla steg inom ett stabilt tidsspann för den primära jonkällan. Våtkemisk etsning används för att avslöja position och typer av dislokation i ett material, sedan överlagras SIMS-resultatet på bilder som erhållits via svepelektronmikroskopi (SEM). Således kan positionen för agglomererade föroreningar relateras till positionen för vissa defekter. Metoden är snabb och kräver inget sofistikerat provberedningssteg; Det kräver dock en högkvalitativ, stabil jonkälla, och hela mätningen måste utföras snabbt för att undvika försämring av de primära strålparametrarna.
Sekundärjonmasspektrometri (SIMS) är en välkänd teknik som används för föroreningsövervakning med utmärkta detektionsgränser 1,2,3,4,5,6. Vakuumbakgrundsbidrag kan vara problematiskt för lätta grundämnen (t.ex. väte, kol, kväve, syre), som kan finnas i form av restgaser i en mätkammare. Peres et al. har tidigare etablerat en teknik för att uppskatta bakgrundsbidrag; Således kan en realistisk koncentration av förorenande atomer bestämmas7.
I många material är fördelningen av förorenande atomer inte enhetlig. Fallet med galliumnitrid (GaN) är särskilt intressant, eftersom det förutspås att syre huvudsakligen dekorerar skruv- och blandade dislokationer 8,9,10,11. Med tanke på att de flesta analysmetoder saknar känslighet eller rumslig upplösning för att detektera lågkoncentrerade kontaminerande atomer, är det viktigt att utveckla en SIMS-mätprocedur som kan 3D-lokalisera segregerade föroreningar12.
Medan många SIMS-spektrometrar är utrustade med positionskänsliga detektorer, är en direkt tredimensionell (3D) rekonstruktion av en djupprofil otillräcklig för att få en realistisk fördelning av syreatomer i ett GaN-prov. Defekt detektor kan förvränga bilden och hindra forskare från att få en realistisk fördelning av kontaminerande atomer. Ett stort problem är dock bidraget till vakuumbakgrunden, eftersom >90 % av de registrerade syrehalterna vanligtvis kommer från restgaser som finns i analyskammaren. Här presenteras en metod för att identifiera och på ett adekvat sätt lösa var och en av dessa utmaningar.
Detektorns ojämnhet kan testas på en tom kiselskiva. Även en lång integrationstid kan leda till observation av viss olikformighet i sekundärjonbilder, på grund av varierande känslighet för varje kanal i en mikrokanalplattdetektor. Därför behövs plattfältskorrigering för att få högkvalitativa bilder av 3D-fördelningar av segregerade atomer.
Vakuumbakgrundsbidraget är relaterat till ett flöde av kontaminerande atomer från vakuumet som adsorberas till analysområdet. Med tanke på att processen är dynamisk (dvs. provytan sputtras ständigt av primärstrålen), kan det antas att varje punkt i det analyserade området har samma sannolikhet att adsorbera dessa syreatomer. Dessutom blir de nästan omedelbart sputtrade och har inte tillräckligt med tid att segregera. Därför är ett statistiskt tillvägagångssätt det mest effektiva. Slumpmässig eliminering av 90 % (eller mer) av syrehalten bör avslöja regioner där syre är agglomererat.
Det bör noteras att primärstrålens stabilitet är avgörande för denna typ av experiment. Efter en tid försämras strålens intensitet och homogenitet, vilket minskar bildkvaliteten. Det är därför viktigt att uppskatta ett tidsspann för stabil drift av strålen och utföra alla experiment innan strålen blir instabil. Protokollet kan enkelt användas för andra material och detekterade element där ojämn fördelning förväntas. Det är särskilt intressant att kombinera detta med våtkemisk etsning, som avslöjar positionerna och typerna av dislokation. Således kan positionen för agglomererade föroreningar korreleras till positionen för defekter.
Problem med ojämnhet i detektorns och vakuumbakgrundsbidraget är lätta att lösa genom plattfältskorrigering respektive subtraktion av parasitantal. Subtraktionsproceduren är inte perfekt, eftersom den kan subtrahera ett bidrag där syre har agglomererats. Däremot, vid den andra positionen, kommer det att lämna bakgrundsräkningen opåverkad; Således kan vissa artificiella räkningar fortfarande finnas kvar medan vissa reella räkningar reduceras. Ändå är det tillräckligt effektivt och känsligt för att ge acceptabla resultat.
Den primära strålens instabilitet är den mest problematiska, eftersom försämring av primärstrålens parametrar kommer att sudda ut den sekundära jonbilden; Någon tillförlitlig information om provet kan därför inte erhållas. Avsnitt 3.2 i protokollet är särskilt viktigt. Till exempel, för en välriktad stråle, återspeglar den första 30Si2– sekundära jonbilden detektorns ojämnhet, men efter en tid kommer bilden att börja förändras. Detta orsakas av försämring av primärstrålens parametrar (dvs. primärströmsförlust, oskärpa, positionsdrift etc.). Det är därför viktigt att uppskatta tidsspannet för strålstabilitet. Det rekommenderas att starta experimentet 2-3 timmar efter initiering av strålen, eftersom den vanligtvis är mer stabil.
Om experimentet utförs inom ett stabilt tidsspann för strålen och resultatet fortfarande inte är tillfredsställande, rekommenderas det att överväga kvaliteten på primärstrålen. För en liten primärstråle är det svårare att bekräfta tillräcklig kvalitet genom att endast observera en sekundärjonbild. Det rekommenderas därför att utföra ytjämnhetstester med atomkraftsmikroskopi på kraterns botten efter att ha sputtrat ~1 μm av ett mycket platt material (dvs. en tom kiselskiva). Om kvadratrotens medelvärde är över 1 nm krävs ytterligare optimering av primärstrålen.
Strålens storlek begränsar den laterala upplösningen för denna metod. SIMS kan avbilda funktioner som är mindre än strålstorleken, men den sekundära jonbilden ärver formen och storleken på den primära jonstrålen. Om avståndet mellan två objekt är mindre än strålens storlek, kommer den sekundära jonbilden att sudda ut dem. Trots dessa problem gör metoden det möjligt för användare att få en realistisk 3D-fördelning av föroreningar/dopningsmedel i fasta prover. Dessutom kan eventuell rumslig segregering av atomer korreleras till positionen för defekter och gränssnitt.
För GaN-baserade strukturer (dvs. syredekorerade) är dislokationer som fungerar som lokala icke-strålande rekombinationscentra ansvariga för konduktivitet av n-typ. För andra material kan varje inhomogenitet i fördelningen av dopningsmedel/kontaminerande atomer ha stor inverkan på en produkts prestanda. Således är protokollet särskilt användbart för felanalys och optimering av tillväxt- och bearbetningsprocedurer.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes delvis av National Science Centre (NCN) inom projekten SONATA14 2018/31/D/ST5/00399 och 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 |