Источник Кластерных Ионов Аргона (GCIS)

Источник ионов последнего поколения Источник кластерных ионов аргона (GCIS) компании Kratos позволяет получать превосходные результаты профилирования по глубине с высоким разрешением как для органических материалов в режиме травления кластерами Arn+ так и для неорганических соединений в моноатомном режиме Ar+ .

Источник кластерных ионов аргона (GCIS) компании Kratos позволяет получать превосходные результаты профилирования по глубине как для органических материалов в режиме травления кластерами Arn+ так и для неорганических соединений в моноатомном режиме Ar+ . Параметры травления и тип ионов определяется пользователем, исходя из типа материала для профилирования и требуемой задачи. В кластерном режиме ионы Arn+ могут быть ускорены до максимальной энергии в 20 кэВ. Это позволяет проводить успешное травление для широкого диапазона полимерных материалов. Однако кластерный ионный источник показывает низкий выход ионов для неорганических соединений. Для того чтобы сохранить возможность оптимального травления неорганических материалов GCIS может также работать в стандартном моноатомном режиме, используя ионы Ar+.

Недавнее развитие в построение профилей распределения элементов по глубине для органических материалов связано с применением кластеров ионов аргона, содержащих 100 и даже 1000 атомов аргона. В отличие от моноатомных ионов, кластеры больших размеров не проникают глубоко в материал, поэтому энергия первичного пучка рассеивается в пределах первых нескольких нанометров поверхности. Поскольку энергия иона разделена на все атомы в кластере энергия бомбардирующего атома в кластере, или порционная энергия, может быть очень низкой и достигать нескольких электрон-вольт, таким образом, данный кластерный источник распыляет атомы только вблизи поверхности, оставляя приповерхностные слои невозмущенными.


Максимум гибкости в выборе образцов

pusage_139591496090.pngИзвестно, что различные типы полимеров имеют разный выход ионов, который зависит от размера кластеров и энергии пучка. Для достижения максимальной гибкости в выборе различных материалов, травление которых может быть корректно проведено, параметры ионного источника, включая размер кластеров и первичную энергию пучка, могут быть заданы отдельно для каждого образца. В работе исследовался образец сополимера молочной и гликолевой кислоты (тонкая пленка PLGA толщиной 60 нм на кремниевой подложке), известного как полимер II типа. Данные получены с использованием GCIS в режиме поли атомных ионов. Слева представлен график зависимости выхода ионов для PL GA от энергии первичного пучка. Видно, что возможность использования ионов с энергией в 20 кэВ сильно повышает ионный выход для PLGA.

Профилирование по глубине полимерной многослойной системы кластерами Ar500+

На следующем примере представлено профилирование по глубине органического полимера с 10 чередующимися между собой слоями полиэфира с высоким содержанием азота и слоями метилметакрилата. Толщина каждой пленки полимера 100 нм. Структура образца показана схематически на рисунке ниже. Данные были получены с области анализа в 110 мкм в центре кратера травления размером 1.5×1.5мм2. Источник GCIS работал в режиме кластеров Ar500+ с ускоряющим напряжением в 5 кэВ, парциальная энергия в данном случае равнялась 10 эВ на атом.

pusage_139591744461.png

Из графика видно, что выход ионов для двух различных полимеров очень близок при использовании параметров ионного источника, определяющих среднюю скорость травления в 18.5 нм/мин. Стоит отметить, что превосходное межслоевое разрешение сохраняется на всем протяжении травления, что доказывает значение интерфейсного разрешения между последними слоями полимера равное 15 нм. Спектры высокого разрешения регионов C 1s, О 1s и N 1s как функции от количества циклов травления представлены на рисунке снизу. Данная зависимость показывает, что химическое состояние элементов в каждом полимере сохраняется после длительного времени травления.
pusage_139591770130.png

(Eng)

Recent advances in depth profiling of organic materials are based on sputtering with large Arn+ ion clusters consisting of hundreds or even thousands of Ar atoms. Unlike monatomic ions, large cluster ions do not penetrate deeply into the material therefore the energy of the impact is deposited within the first few nanometers of the surface. As the energy is shared by all atoms in the cluster, the energy per projectile atom, or partition energy, can be as low as a few electron volts such that the cluster ions only sputter material from the near-surface region leaving the subsurface layer undisturbed.

Hardware

The Ar GCIS is designed to mount on a DN64 (4.5″ OD) flange with a working distance appropriate for both the AXIS Ultra DLD and AXIS Nova photoelectron spectrometers. The GCIS is differentially pumped using two dedicated turbomolecular pumps backed by an oil free scroll pump with additional pumping provided by the sample entry chamber. A two degree bend is incorporated into the ion beam column to remove high energy neutrals from the beam as these particles can significantly decrease interface resolution during depth profiling due to their greater penetration depth into the sample. Gas pressure, valves and operating parameters are all controlled through the acquisition software.

Ar Gas Cluster Operating Mode

Large Ar clusters are formed by the isentropic adiabatic cooling of the gas as it expands from high pressure into the vacuum of the source region through a de Laval nozzle. The Ar clusters are ionised by electron impact and accelerated along the ion column. A Wien velocity filter is used to narrow the sampled range of cluster size. The ions are accelerated up to a maximum of 20 keV (Ar+ cluster mode) or 5 keV (Ar+ monomer) with a series of lenses to focus and quadrupole scan plates to raster the ion spot across the surface of the specimen.
The median cluster size is determined by setting the appropriate electric field on the Wien filter. The cluster sizes used can be varied from Ar500+ to Ar2000+ sucn that the partition energy can be varied from 2.5 eV (eg 2.5 keV/1000 cluster etc) to 40 eV per Ar atom.

Ar Monomer Operating Mode

The ion source may also be operated in the more traditional monomer Ar+ mode which is more suited to depth profiling inorganic samples. Studies have shown the sputter yield of this class of sample is very low using Ar clusters so it is important to be able to be able to sputter using Ar+ ions. Switching to Ar monomer mode simply involves selecting the appropriate table entry in the acquisition software.

He Monomer Operating Mode

The GCIS is also designed to operate with monomer He+ for ion scattering spectroscopy (ISS) experiments. Ion scattering spectroscopy is an optional operating mode of the spectrometer. In this mode the ion source is run at very low ion beam currents to remain below the static limit. As such the Kratos GCIS is often referred to as a trimode ion source.

Software

Complete control of the Ar GCIS is provided by the acquisition software. Operating parameters are saved in a table that can be used to restore the optimised conditions prior to use of the source. During use the status of the GCIS may be displayed to monitor key parameters of the source. These parameters may also be saved to a log file enabling long term monitoring of the operating conditions of the GCIS.
Control of the gas flow required for operation of the GCIS is most easily achieved using the automatic sequences in the vacuum control section of the acquisition software. Complete automation of the gas handling system means that the GCIS can be run unattended or remotely. Control of individual valves, pumps and gauges may also be undertaken using the ‘safe manual’ mode and the vacuum mimic diagram.