Масс-спектрометрический способопределения концентрации микропримесейв твердых образцах

Масс-спектрометрический способопределения концентрации микропримесейв твердых образцах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советскик

Социалистнческик

Реслублик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОИ:КОМУ СВИ ЕТЕПЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 010378 (21) 2586396/18-25

<о813240 (51)М. Клз

G 01 и 27/62

Н 01 3 39/34 с присоединением заявки йо—

Государственный комитет

СССР по делам. изобретений и откРытий (23) ПриоритетОпубликовано 150381, Бюллетень Н9 10

Дата опубликования описания 150 381 (53) УДК 621.383 (088.8) (72) Автор изобретения

В.Ф. Козлов

5 .п, ° Ф.(71) Заявитель (54) МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОНЦЕНТРАЦИЙ МИКРОПРИМЕСЕИ В ТВЕРДЫХ ОБРАЗЦАХ

Изобретение относится к способам анализа чистых материалов на примеси, в частности к масс-спектроскопи.ческим способам измерения концент-. раций микропримесей в твердых образцах.

Из весте н масс-с пектроскопический способ определения концентраций примесей в твердых образцах, заключающийся в том, что атомы элементов (в том числе и примесных), входящих в объемный состав .исследуемого образца, извлекают из него, превращают в положительные ионы и формируют в пучок. 1з

Затем этот пучок ионов с помощью различных ионно-оптических систем разделяют на компоненты по массам. Интенсивности отдельных компонент регистрируют и измеряют. Если при эхом выпол- Ю няется условие линейной зависимости интенсивности 3 каждой компоненты пучка от концентрации и соответствующего элемента в объемном составе образца, то сравнивая интенсивности компонент пучка, полученного из исследуемого образца, с интенсивностями

3,,„ соответствующих компонент пучка, полученного из стандартного образца, находят неизвестное значение концен-) ЗО трации пк примеси из простого соот= ношения х

l1

sm с п, где и щ- концентрация соответствующей примеси в стандартном образце.

Следовательно, использование массспектроскопии для измерения концентраций примесей связано с необходимостью калибровки масс-спектроскопических приборов с помощью стандартных образцов с известным содержанием этих примесей, которое, в случае измерения микропримесей, должно быть на уровне от 10 % и ниже (1$ .

Однако изготовление таких образцов является делом исключительно сложным, и поэтому масс-спектроскопические способы долгое время имели ограниченную применимость в области анализа чистых материалов.

Широкое применение масс-спектроскопии для этих целей связано с появлением способа изотопического разбавления, по которому в исследуемый образец предварительно вводят известное количество атомов определяемого ,элемента 21.

813240

Однако способом изотопического разбавления сложно, а во«многих случаях невозможно, анализировать моноизотопные элементы. Он во многих случаях оказывается экономически невыгодным из-за дороговизны разделен5 ных изотопов определяемого элемента..

При разбавлении исследуемого образца изотопами определяемого элемента и выделении этого элемента из раствора требуется индивидуальный подход как к материалу образца, так и к анализируемому примесному элементу.

Поэтому использование способа изотопического разбавления для анализа образцов из различных материалов на содержание большого количества примесных элементов в них связано с черезмерно большим объемом химических работ, который во многих случаях превращается в труднейшую проблему.

Цель изобретения — расширение ас- 20 сортимента измеряемых веществ и упрощение процесса измерения.

Указанная цель достигается тем, что в исследуемый образец вводят известное количество 0 атомов определяемого элемента ионно-лучевым легированием, затем, распыляя легированный образец пучком первичных ионов благородного газа, например аргона,и масс-спектрометрически анализируя выбиваемые при этом вторичные положительные ионы, определяют суммарный поток Й „ вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за ремя t pacIIbIIIeHHII oT acex внедрен 35 ных атомов, и поток N âòîðè÷íûõ ионов, образовавшихся от примесных атомов, и определяют искомую концентрацию и каждой из примесей по фор-. мрле

N Ь М t1

P 40

hP H где M — атомный вес основного элемента исследуемого образца, д р — потеря веса образца за время распыления. 4

На чертеже показана зависимость величины потока вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления.

Физическое обоснование предлагаемого способа заключается в следующем.

При достаточно плотном пучке первичных ионов поток вторичных ионов примесного элемента, относительная концентрация этого элемента в исследуемом образце и поток Nä первичных ионов связаны соотношенйем

N пр ееc AЙ0 (с постояннаЯ ) (1 )

Если в некоторый объем 5н образца, исследуемого ионно-лучевым легированием, ввести определенное количест- Щ во 0 ионов того элемента, концентрацию которого необходимо определить, то при последующем распылении этого объема плотным пучком ионов другого сорта (например ионами аргона) будет набл«юдаться зависимость величины потока Й вторичных ионов определяемого элемента от времени распыления (фиг. 1) .

Если образец распыляется равномерно, т.е. скорость распыления

< н 4

fit А

= K — — = t onst, (А - число атомов в единице объема исследуемого образца, к - коэффициент его распыления), то толщина Н распыленного слоя .и время t, ушедшее

lpga его распыление, связаны соотношением

Н @

НчК,—

А

В интервале (0=t ) (чертеж}, в те-чение которого будет распыляться легированный объем образца, для потока

Й (t) вторичных ионов, образующихся из внедренных атомов, справедливо соотношение

Й(е)=сй„п(с) (2), где n (с ) — относительная концентрация атомов., внедренных в некоторый тонкий слой ShH на распыление которого уходит время ht. Если в этот слой внедрено д 0 атомов, и если площадь поверхности распыления и площадь основания легированного объема одна и та же, те

"()=AShH - S N ht к о соответственно (2) перепишется в виде

N(t) дъ д (3), тогда суммарный поток Й „ вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время t распыления от всех внедренных атомов запишется

I как

Й = NP)e= D (4).

Разделив (1) на (4), находим о о

liO -Й ЬС о где я© — общее число распыленных атомов, равное отношению общего веса g p распыленных атомов основного элемента к их атомному весу И, то окончательная рабочая формула для определения концентрации примесных атомов за5И ti Й„,В hit% ар еЯ ба ар и а Ве

Так как

Таким образом, измерение концентрации примесей предлагаемым способом включает в себя следующие операции:

1 ° В предварительно взвешенный исследуемый образец конно-лучевым легированием внедряют известное количест во атомов определяемого элемента.

813240

2. Распыляя легированный образец ионами другого сорта и масс-спектрометрически анализируя выбиваемые при этом вторичные положительные ионы, измеряют значение величины g N(f)dt, пропорциональное количеству внедренных атомов, и после распыления леги5 рованного слоя — значение величины й„, пропорциональное количеству вторйчных ионов, образовавшихся из примесных атомов. При этом фиксируют время е,. в течение которого образец подвергался распылению.

3. Исследуемый образец взвешивают вторично и определяют значение величины И р

4.:Искомое значение величины и вы- 15 числяют по формуле (5) .

Предлагаемый способ обладает рядом важных преимуществ, которые выгодно отличают его от известного:

1) способ не имеет ограничений, он 2О позволяет анализировать примеси любых, в том числе и моноизотопных, элементов, 2) операция введения атомов примесного элемента способом изотопичес- 25 кого разбавления требует индивидуального подхода к каждому отдельному случаю, в то время как эта же опера-. ция при ионно-лучевом легировании одинакова для всех элементов таблицы

Менделеева, и поэтому она в общем экономичней и менее трудоемка, 3) операция введения атомов примесного элемента иоино-лучевым легированием делает предлагаемый способ дешевле известного еще и потому, mo она исключает необходимость использования разделенных изотопов, получение которых для многих элементов связано с большими затратами;

4) способ не нуждается в химичес- 40 ком выделении примесного элемента иэ исследуемого образца, что исключает большой объем химических работ, который необходит при этой операции в способе изотопического разбавления, 4 и который в отдельных случаях, из-за своей сложности, делает применение последнего нецелесообразным, 5) способ дает возможность последовательно анализировать один и тот О же образец на содержание любого количества элементов, не зависимо от наличия в нем любых других элементов, 6) способ базируется на массспектрометрии вторичных ионов, которая в настоящее время находит самое широкое применение в области анализа чистых материалов.

Формула изобретения

Масс-спектрометрический способ определения концентраций микропримесей в твердых образцах, включающий предварительное введение в исследуемый образец известного количества атомов определяемого элемента, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения ассортимента измеряемых веществ и упрощения процесса измерения, известное количество определяемого элемента вводят в исследуемый образец ионно-лучевым легированием, затем, распыляя образец пучком первичных ионов, определяют сум-. марный поток вторичных ионов определяемого элемента, образовавшихся за время распыления от всех внутренних атомов, и поток вторичных ионов, образовавшихся от примесных атомов, и, определяют искомую концентрацию каждой из примесей по формуле

ll- )

hP Й где И вЂ” атомный вес основного элемента исследуемого образца, р р — потеря веса образца за время распыления, образовавшихся от примесных атомов;

М „ — суммарный поток вторичных ионов определяемого элемента, время распыления,, 0 — известное количество атомов определяемого элемента, введенного ионно-луче-вым легнрованием.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Рик Г.P. Масс-спектрометрия.

М., 1953.

2. Jnghram М.G. J.Phys. Chem.

1953, р. 57, 8, 809 (прототип).

Составитель Н. Алимова

Редактор A. Наурсков Техред Е, Раврялеыко Корректор Н. Стец

Эакаэ 758/52 Тираж 907 Нодписное

ВНИИПИ Росударствеяяого комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаиская иаб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4