談紅外半導體材料SIMS分析方法范文

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摘要：介紹了二次離子質譜儀（SecondaryIonMassSpectrometer，SIMS）的基本原理及其在焦平面紅外半導體材料和器件制備工藝中發揮的重要作用。通過對摻砷碲鎘汞和CdTe／InSb 材料進行sims 測試，研究了不同離子源和一次束流大小對測試結果的影響，為后續SIMS 分析技術在紅外探測器材料的進一步研究奠定了基礎。

關鍵詞：二次離子質譜儀；碲鎘汞；紅外焦平面

引言

紅外焦平面器件雖然在軍事電子裝備中得到了廣泛應用，但存在性能與成本問題，這對紅外材料提出了更高的要求，需要發展密度高、面積大、均勻性較好的多色、大規格、異質外延碲鎘汞薄膜材料和InAs／GaSbⅡ類超晶格材料，以滿足夜視、火控、偵察、監視、精確制導和光電對抗等軍事應用的要求［1］；更要在提升原有探測器材料性能的基礎上開發新型材料，為十三五和十四五規劃奠定基礎。在紅外焦平面探測器工藝研制過程中，材料內部微量摻雜元素的縱向分布情況會影響探測器的性能。SIMS具有極高的靈敏度，可達ppm 甚至ppt量級。目前儀器的一次離子束直徑可達微米，甚至亞微米級別，可以很好地進行深度分析。對于半導體材料在生長和工藝中的摻 雜 或 污 染， 其 濃 度 一 般 處 于 1013～1019at／cm3之間。相比于其他表面分析技術如盧瑟福背散射分析、俄歇電子能譜分析、掃描透射電子顯微鏡／X 射線能譜分析、X 射線光電子能譜技術／化學分析電子光譜分析等，SIMS可對摻雜元素的濃度分布進行直接測試，在半導體測試技術中無可替代［2］。

1SIMS 分析技術

離子源（氧源或銫源）發射出的一次離子束，經透鏡聚焦后轟擊在樣品表面。一次離子在穿透樣品表層的過程中，會發生一系列彈性碰撞與非彈性碰撞。高能離子將部分能量傳遞給晶格原子，獲得能量的晶格原子會向材料表面運動，同時將能量傳遞給表面原子，使其濺射。濺射出來的二次離子在經過質譜計和靜電分析器的過程中按荷質比分離。通過監測器對收集到的二次離子信號進行分析，得到質譜分析圖、深度分析圖（常用）和離子像，如圖1所示［3］。二次離子質譜分析技術的主要優點有：（1）能對元素周期表內 H～U 所有元素表征分析；（2）測試靈敏度較高，對污染或者摻雜的檢測通常能達到ppm 甚至ppt量級；（3）可對單質和化合物進行表征分析，獲得材料的分子量及分子結構等信息；（4）能對樣品進行微區成分分析及深度剖面分析；（5）具有良好的空間和時間分辨率。［3，4，5］圖1SIMS儀的工作原理示意圖

2實驗及實驗結果

本實驗主要研究SIMS設備中離子源的選擇和一次束流大小對測試結果產生的影響。分別使用氧源與銫源對碲鎘汞中的 As元素進行測試，以研究離子源對測試結果的影響。通過調整一次束流大小分別對 CdTe／InSb材料和碲鎘汞中的 As元素進行分析，以研究一次束流大小對測試結果的影響。

2．1離子源的選擇對測試結果的影響

碲鎘汞中 As元素的 SIMS測試可以選擇氧源或者銫源進行，但是檢測限不同。檢測限即所能檢測出的最小雜質含量，是標志檢測能力的重要指標［6］。據文獻報道，針對碲鎘汞中的 As元素，氧源測試極限為1016atoms／cm3，銫源的測試極限為2×1015atoms／cm3。銫源的精度更高，應優先選擇。使用SIMS設備測試碲鎘汞中 As元素的結果如圖2所示。在測試過程中，無論使用銫源還是氧源，前期都有信號。但是選用銫源測試時，探測器監測到的信號較小，測試結果如圖2（a）所示。使用氧源測試時，能獲得較好的測試曲線，符合材料的摻雜元素分布情況，如圖2（b）所示。銫源測試結果不佳，可能與參數設置、設備狀態有很強的關聯性。

2．2一次束流對測試結果的影響

對 CdTe／InSb 的 SIMS 測 試 結 果 進 行 分析，通過改變一次束流大小得到測試結果。圖3（a）中，一次束流為99nA，圖3（b）中一次束流為125nA。對比不同的一次束流測試結果時發現，束流增大，所有元素濺射出的二次離子增加，探測器接收到的離子增加，檢測到的信號強度 增 強。以In 元 素 為 例， 束 流 強 度 從99nA升到125nA時，探測器接收到的信號強度由2×106c／s升到1．7×107c／s，信號強度在106c／s附近時會發生探測器 EM／FC的切換，造成信號強度瞬間下降。一次束流增加，各元素的信號強度都會增加，但是程度不同。以平臺期信號強度為例，結果見表1。一次束流的增加會影響刻蝕速率。同一CdTe／InSb樣品，刻蝕到同一深度界面所用的圖3 銫源不同束流測試 CdTe／InSb材料的結果時間不同，99nA 束流對應的時間為1100s，125nA束流對應的時間為800s。束流越大，刻蝕速度就越快。在SIMS測試中，一次束流強度會改變刻蝕速率，影響二次離子的產額，使探測器檢測到的信號強度不同。束流增加會增大信號強度，但并不是束流越大越好。在碲鎘汞材料的As元素檢測中，基于前期使用銫源測試 As元素并無良好結果，我們選擇氧源進行測試。圖4 中， 束 流 強 度 為 323nA 時 的 測 試 結 果 與590nA時的測試結果相比，As元素有一個峰值或者平臺期，細節更加明顯，與摻雜工藝一致。過大的一次束流會導致刻蝕速率較高，元素縱向分布的部分細節變模糊。圖4 不同束流強度氧源測試摻 As碲鎘汞材料的結果

3結論

研究表明，在SIMS測試中，離子源的選擇和一次束流的大小都會影響測試結果。通過分析實驗結果，我們得到以下結論：

（1）SIMS測試中離子源的選擇會影響測試樣品的測試極限，但是測試結果與設備狀態、測試參數有很大關系；

（2）在一定范圍內，一次束流的大小會影響刻蝕速率和二次離子產額。一次束流越大，濺射出各種元素的二次離子就越多，刻蝕速率明顯上升，從而探測器檢測到的信號增強；

（3）一次束流增大，會增強刻蝕速率，使得探測器的敏感度下降，從而影響元素縱向分布的部分細節。除離子源的選擇和一次束流的調整，樣品表面粗糙度、基底材料、質量分辨率等因素都會影響最終測試結果。關于SIMS測試，遺留的問題很多，下一步將對設備參數和濃度標定進行更深入的研究。

參考文獻

［1］朱西安，左雷，李震．SIMS在碲鎘汞紅外焦平面探測器工藝中的應用 ［J］．激光與紅外，2006，36（11）：1013－－1015．

［2］王佑祥，陳春華，陳新．二次離子質譜分析在半導體材料與器件工藝中的應用 ［J］．半導體技術，1993，18（2）：48－－52．

［3］吳志鵬．用于 SIMS分析的 LED 芯片樣品制備［D］．南昌：南昌大學，2014．

［5］梁漢東．煤的二次離子質譜解析 ［J］．質譜學報，1998，19（3）：42－－51．

［6］范亞茹．二次離子質譜分析碳化硅中釩雜質含量的研究 ［D］．西安：西安電子科技大學，2007．

作者：李乾 折偉林 周朋 李達 單位：華北光電技術研究所