İkincil İyon Kütle Spektrometrisi Kullanılarak Ayrılmış Safsızlıkların 3D Derinlik Profili Rekonstrüksiyonu
Summary
Sunulan yöntem, ikincil iyon kütle spektrometrisi ile ilgili ölçüm artefaktlarının nasıl tanımlanacağını ve çözüleceğini ve ayrıca katı hal malzemelerindeki safsızlıkların/katkı maddelerinin gerçekçi 3D dağılımlarının nasıl elde edileceğini açıklar.
Abstract
Sunulan protokol, ikincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS) kullanarak mükemmel algılama sınırlarını (1 ppm ila 1 ppb) makul uzamsal çözünürlükle (~1 μm) birleştirir. Ayrıca, katı hal malzemelerinde ayrılmış safsızlıkların/katkı maddelerinin gerçekçi üç boyutlu (3B) dağılımlarının nasıl elde edileceğini açıklar. SIMS ile ilgili ölçüm artefaktları nedeniyle doğrudan 3D derinlik profili rekonstrüksiyonunun elde edilmesi genellikle zordur. Burada sunulan, bu zorluğu tanımlamak ve çözmek için bir yöntemdir. Aşağıdakiler de dahil olmak üzere üç ana konu tartışılmaktadır: i) dedektörün düzgünsüzlüğü düz alan düzeltmesi ile telafi edilir; ii) vakum arka plan katkısı (analiz odasında bulunan artık gazlardan parazitik oksijen sayımı) tahmin edilir ve çıkarılır; ve iii) birincil iyon kaynağının kararlı bir zaman aralığı içinde tüm adımların performansı. Islak kimyasal aşındırma, bir malzemedeki çıkığın konumunu ve türlerini ortaya çıkarmak için kullanılır, daha sonra SIMS sonucu, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile elde edilen görüntülerin üzerine bindirilir. Bu nedenle, aglomera safsızlıkların konumu, belirli kusurların konumu ile ilişkilendirilebilir. Yöntem hızlıdır ve karmaşık numune hazırlama aşaması gerektirmez; Bununla birlikte, yüksek kaliteli, kararlı bir iyon kaynağı gerektirir ve birincil ışın parametrelerinin bozulmasını önlemek için tüm ölçümün hızlı bir şekilde yapılması gerekir.
Introduction
İkincil iyon kütle spektrometrisi (SIMS), mükemmel tespit limitleri 1,2,3,4,5,6 ile kontaminasyon izleme için kullanılan iyi bilinen bir tekniktir. Vakum arka plan katkısı, bir ölçüm odasında artık gazlar şeklinde bulunabilen hafif elementler (örn. hidrojen, karbon, nitrojen, oksijen) için sorunlu olabilir. Peres ve ark. daha önce arka plan katkısını tahmin etmek için bir teknik oluşturmuştu; Böylece, kirletici atomların gerçekçi bir konsantrasyonu belirlenebilir7.
Birçok malzemede, kirletici atomların dağılımı tekdüze değildir. Galyum nitrür (GaN) durumu özellikle ilginçtir, çünkü oksijenin esas olarak vida ve karışık çıkıklarısüslediği tahmin edilmektedir 8,9,10,11. Çoğu analitik yöntemin, düşük konsantrasyonlu kirletici atomları tespit etmek için hassasiyet veya uzamsal çözünürlükten yoksun olduğu göz önüne alındığında, ayrılmış safsızlıkların 3D lokalizasyonunu yapabilen bir SIMS ölçüm prosedürü geliştirmek esastır12.
Birçok SIMS spektrometresi konuma duyarlı dedektörlerle donatılmış olsa da, bir derinlik profilinin doğrudan üç boyutlu (3D) rekonstrüksiyonu, bir GaN örneğinde oksijen atomlarının gerçekçi dağılımını elde etmek için yetersizdir. Dedektörün kusuru görüntüyü bozabilir ve araştırmacıların kirletici atomların gerçekçi bir dağılımını elde etmelerini engelleyebilir. Bununla birlikte, kayıtlı oksijen sayımlarının genellikle %>90’ı analiz odasında bulunan artık gazlardan kaynaklandığından, büyük bir sorun vakum arka plan katkısıdır. Burada, bu zorlukların her birini tanımlamak ve uygun şekilde çözmek için bir yöntem sunulmaktadır.
Dedektörün düzensizliği boş bir silikon gofret üzerinde test edilebilir. Uzun bir entegrasyon süresi bile, bir mikrokanal plaka dedektöründeki her kanalın değişen hassasiyeti nedeniyle bazı ikincil iyon görüntüsü düzensizliklerinin gözlemlenmesine yol açabilir. Bu nedenle, ayrılmış atomların 3D dağılımlarının yüksek kaliteli görüntülerini elde etmek için düz alan düzeltmesi gereklidir.
Vakum arka plan katkısı, analiz alanına adsorbe edilen vakumdan kirletici atomların akışı ile ilgilidir. İşlemin dinamik olduğu göz önüne alındığında (yani, numune yüzeyi sürekli olarak birincil ışın tarafından püskürtülür), analiz edilen alanın her noktasının bu oksijen atomlarını adsorbe etme olasılığının aynı olduğu varsayılabilir. Ayrıca, neredeyse anında püskürtülürler ve ayrılmak için yeterli zamanları yoktur. Bu nedenle, istatistiksel bir yaklaşım en verimli olanıdır. Oksijen sayımlarının %90’ının (veya daha fazlasının) rastgele ortadan kaldırılması, oksijenin topaklandığı bölgeleri ortaya çıkarmalıdır.
Birincil ışının stabilitesinin bu tür bir deney için çok önemli olduğuna dikkat edilmelidir. Bir süre sonra, ışının yoğunluğu ve homojenliği bozulur ve bu da görüntünün kalitesini düşürür. Bu nedenle, ışının kararlı çalışmasının bir zaman aralığını tahmin etmek ve ışın kararsız hale gelmeden önce tüm deneyleri yapmak önemlidir. Protokol, düzgün olmayan dağılımın beklendiği diğer malzemeler ve tespit edilen elemanlar için kolayca kullanılabilir. Bunu, çıkığın konumlarını ve türlerini ortaya çıkaran ıslak kimyasal aşındırma ile birleştirmek özellikle ilginçtir. Böylece, aglomera safsızlıkların konumu, kusurların konumu ile ilişkilendirilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dedektörün düzensizliği ve vakum arka plan katkısı sorunlarının, sırasıyla düz alan düzeltmesi ve parazitik sayımların çıkarılması ile çözülmesi kolaydır. Çıkarma prosedürü mükemmel değildir, çünkü oksijenin toplandığı bir katkıyı çıkarabilir. Buna karşılık, diğer konumda, arka plan sayısını etkilemeyecektir; Bu nedenle, bazı gerçek sayımlar azalırken bazı yapay sayımlar hala mevcut olabilir. Bununla birlikte, kabul edilebilir sonuçlar sağlayacak kadar verimli ve hassastır.
Birincil ışın kararsızlığı en sorunlu olanıdır, çünkü birincil ışın parametrelerinin bozulması ikincil iyon görüntüsünü bulanıklaştıracaktır; Böylece numune hakkında sağlıklı bir bilgi elde edilemez. Protokoldeki Bölüm 3.2 özellikle önemlidir. Örneğin, iyi hizalanmış bir ışın için, ilk 30Si2– ikincil iyon görüntüsü dedektörün düzensizliğini yansıtır, ancak bir süre sonra görüntü değişmeye başlayacaktır. Bu, birincil ışın parametrelerinin bozulmasından kaynaklanır (yani, birincil akım kaybı, odak kaybı, konum kayması vb.). Bu nedenle, ışın kararlılığının zaman aralığını tahmin etmek önemlidir. Tipik olarak daha kararlı olduğu için, ışının başlatılmasından 2-3 saat sonra deneye başlanması tavsiye edilir.
Deney, ışının sabit bir zaman aralığı içinde gerçekleştirilirse ve sonuç hala tatmin edici değilse, birincil ışının kalitesinin dikkate alınması tavsiye edilir. Küçük bir birincil ışın için, yalnızca ikincil bir iyon görüntüsünü gözlemleyerek yeterli kaliteyi doğrulamak daha zordur. Bu nedenle, çok düz bir malzemenin (yani boş bir silikon gofret) ~ 1 μm püskürtüldükten sonra krater tabanında atomik kuvvet mikroskobu pürüzlülük testlerinin yapılması tavsiye edilir. Kök ortalama kare pürüzlülüğü 1 nm’nin üzerindeyse, birincil ışının daha fazla optimizasyonu gerekir.
Işının boyutu, bu yöntemin yanal çözünürlüğünü sınırlar. SIMS, ışın boyutundan daha küçük özellikleri görüntüleyebilir, ancak ikincil iyon görüntüsü, birincil iyon ışınının şeklini ve boyutunu devralır. İki özellik arasındaki mesafe ışının boyutundan daha küçükse, ikincil iyon görüntüsü bunları birlikte bulanıklaştıracaktır. Bu sorunlara rağmen, yöntem, kullanıcıların katı hal örneklerinde safsızlıkların/katkı maddelerinin gerçekçi bir 3D dağılımını elde etmelerini sağlar. Ayrıca, atomların herhangi bir uzamsal ayrışması, kusurların ve arayüzlerin konumu ile ilişkilendirilebilir.
GaN bazlı yapılar için (yani, oksijenle süslenmiş), yerel ışınımsal olmayan rekombinasyon merkezleri olarak hareket eden çıkıklar, n-tipi iletkenlikten sorumludur. Diğer malzemeler için, katkı maddesi/kirletici atom dağılımının herhangi bir homojen olmaması, bir cihazın performansı üzerinde büyük etkilere sahip olabilir. Bu nedenle, protokol özellikle arıza analizi ve büyüme ve işleme prosedürlerinin optimizasyonu için kullanışlıdır.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, SONATA14 2018/31/D/ST5/00399 ve OPUS10 2015/19/B/ST7/02163 projeleri kapsamında Ulusal Bilim Merkezi (NCN) tarafından kısmen desteklenmiştir.
Materials
| 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 |
References
- Wittmaack, K. High-sensitivity depth profiling of arsenic and phosphorus in silicon by means of SIMS. Applied Physics Letters. 29, 552 (1976).
- Ber, B. Y., et al. Secondary ion mass spectroscopy investigations of magnesium and carbon doped gallium nitride films grown by molecular beam epitaxy. Semiconductor Science and Technology. 13, 71-74 (1998).
- Chiou, C. Y., Wang, C. C., Ling, Y. C., Chiang, C. I. Secondary ion mass spectrometry analysis of In-doped p-type GaN films. Applied Surface Science. 203-204, 482-485 (2003).
- Emziane, M., Durose, K., Halliday, D. P., Bosio, A., Romeo, N. In situ oxygen incorporation and related issues in CdTe/CdS photovoltaic devices. Journal of Applied Physics. 100, 013513 (2006).
- Matsunaga, T., Yoshikawa, S., Tsukamoto, K. Secondary ion yields of C, Si, Ge and Cs surface density and concentration in SIMS. Surface Science. 515, 390-402 (2002).
- Gnaser, H. SIMS detection in the 1012 atoms cm−3 range. Surface and Interface Analysis. 25, 737-740 (1997).
- Peres, P., Merkulov, A., Choi, S. Y., Desse, F., Schuhmacher, M. Characterization of LED materials using dynamic SIMS. Surface and Interface Analysis. 45, 437-440 (2013).
- Arslan, I., Browning, N. D. Role of Oxygen at Screw Dislocations in GaN. Physical Review Letters. 91, 165501 (2003).
- Hawkridge, M. E., Cherns, D. Oxygen segregation to dislocations in GaN. Applied Physics Letters. 87, 221903 (2005).
- Arslan, I., Bleloch, A., Stach, E. A., Ogut, S., Browning, N. D. Using EELS to observe composition and electronic structure variations at dislocation cores in GaN. Philosophical Magazine. 86, 4727-4746 (2006).
- Hautakangas, S., et al. Gallium and nitrogen vacancies in GaN: Impurity decoration effects. Physica B: Condensed Matter. 376-377, 424-427 (2006).
- Michałowski, P. P., Złotnik, S., Rudziński, M. Three dimensional localization of unintentional oxygen impurities in gallium nitride. Chemical Communications. 55, 11539 (2019).
- Kamler, G., Weyher, J. L., Grzegory, I., Jezierska, E., Wosiński, T. Defect-selective etching of GaN in a modified molten bases system. Journal of Crystal Growth. 246, 21-24 (2002).
- Zhuang, D., Edgar, J. H., Strojek, B., Chaudhuri, J., Rek, Z. Defect-selective etching of bulk AlN single crystals in molten KOH/NaOH eutectic alloy. Journal of Crystal Growth. 262, 89-94 (2004).
- . . SC-Ultra, User’s Guide. , (2005).
- Weyher, J. v. L., et al. Orthodox etching of HVPE-grown GaN. Journal of Crystal Growth. 305, 384-392 (2007).
