Спектроскопия обратного Резерфордовского рассеяния

Метод обратного рассеяния Резерфорда (ОРР) предполагает облучение поверхности образца пучком ионов с энергией от 1 до 3 МэВ (обычно используются ионы Не⁺). Диаметр пучка, как правило, составляет от 10 мкм до 1 мм.

Вследствие упругих соударений с атомами облучаемого вещества первичные ионы теряют энергию. Кинетический множитель К связывает энергию первичных ионов Е₀ с энергией обратнорассеянных ионов E₀':

E₀'=K·E₀

Рассеянные ионы регистрируются энергодисперсионным детектором на основе кремниевых р-n-переходов, и вырабатываемый детектором сигнал поступает в многоканальный анализатор. Поскольку значения К для каждого элемента периодической таблицы известны, можно определить химический состав поверхностного слоя образца путем измерения энергии обратнорассеянных ионов.

Первичные ионы теряют энергию по мере углубления в образец и рассеяния. Ионы, рассеянные на глубине DZ, прежде чем выйти из образца и поступить в детектор, должны пройти обратный путь в материале образца, что вызывает дополнительные потери энергии. Общая разность энергий ионов, рассеянных на поверхности образца и на глубине DZ, составляет

DZ=KE₀-E₁=[e],

где [e]- эффективное сечение рассеяния ионов,
М - атомная плотность вещества.

Профиль распределения примеси по глубине получают, анализируя зависимость числа обратнорассеянных ионов от энергии рассеянных ионов Е1.

ОРР - один из немногих методов химического анализа, позволяющий получать количественную информацию без применения эталонов. Общее число рассеянных ионов, регистрируемое детектором, равно произведению дифференциального сечения рассеяния нейтронов атомами исследуемого вещества , числа рассеивающих центров на 1 квадратный сантиметр поверхности (NDZ), приемного угла детектора (DW) и тока пучка Q:

Значения представлены в табличном виде для всех химических элементов как функция угла рассеяния q для первичных ионов 4Не⁺ и 1Н⁺. Для специального, часто встречающегося случая анализа однородной пленки соединения неизвестного состава A_mB_n отношение высот пиков Н_A и Н_B можно рассчитать, используя выражение:

Поскольку ,  где Zi - атомное число элемента i, уравнение можно переписать в виде:

Измеряя отношение Н_A/Н_B и подбирая по таблицам соответствующие значения [e], можно определить отношение m/n. Энергетическое разрешение современных детекторов составляет 15 кэВ, что соответствует разрешению по глубине ~ 30 нм для кремния и 10 нм для более тяжелых металлов, входящих в состав силицидов. К сожалению, относительно большой диаметр первичного пучка (от 10 мкм до 1 мм) препятствует использованию ОРР для анализа большинства элементов СБИС, имеющих меньшие размеры. Чувствительность метода ограничивается неоднородностью ионного потока, разделением пиков спектра и током пучка. Чувствительность для фосфора крайне низка из-за близости пиков фосфора и кремния в спектре ОРР.

Таблица. Предел чувствительности метода ОРР для различных примесей в кремнии.