Методика безэталонного анализа изотопного состава Si

Впервые метод ВИМС был использован для метрологии образцов кремния проекта «Авогадро» с высокой степенью обогащения изотопом ²⁸Si вплоть до 99.995%. Из-за проблем анализа таких образцов ранее использовались трудоемкие многостадийные методы, включающие предварительный перевод твердотельных образцов в газовую фазу SiF₄, которая затем анализировалась на специально разработанных масс-анализаторах. Для определения изотопного состава образцов кремния, обогащенных изотопом ²⁸Si, в наших работах была развита и апробирована методика безэталонного количественного анализа концентрации изотопов Si на установке TOF. SIMS-5. Она включает разделение линий ²⁸SiH и ²⁹Si в масс-спектрах и использование Пуассоновской коррекции «мертвого времени» детектора при регистрации интенсивности линии ²⁸Si. Определена концентрация изотопов ^28-30Si для серии образцов Si обогащенных изотопом ²⁸Si, включая «Poly Si» ²⁸Si-10Pr7, «Mono Si» ²⁸Si-7Pr10 Part 7.1.1.1. и ²⁸Si-10Pr11 Part 5A4.1.3 и др. Схема расположения тестируемых образцов при резке каждого выращенного в проекте «Авогадро» кристалла моноизотопного 28Si приведена на рисунке ниже.

Схема резки кристаллов 28Si для создания эталонов массы и тестирования метериала.

Установлено, что в данной серии образцов концентрация ²⁸Si коррелирует с отношением ²⁹Si/³⁰Si. В образцах с концентрацией ²⁸Si=99.995% величина ²⁹Si/³⁰Si составляла 25-40, в то время как для кремния с натуральным содержанием изотопов отношение ²⁹Si/³⁰Si составляет 1.51. Сопоставление наших результатов с данными анализа таких образцов методами метрологии проекта Авогадро показало различие в пределах погрешности измерений на уровне 99.995% ±0.0005%.

Для повышения чувствительности слабых линий ²⁹Si и ³⁰Si в образцах, обогащенных изотопом ²⁸Si, и снижения шумов в масс-спектрах при проведении измерений ВИМС на установке TOF. SIMS-5 использовалась максимальная частота повторения зондирующих ионов Bi до 50кГц и низкая энергия распыляющих ионов кислорода. В результате для образцов Si с обогащением ²⁸Si = 99.995% величина отношения сигнала к шуму составляла 100 для наиболее слабой линии ³⁰Si (в интегральном по времени масс-спектре). Это показывает, что при данных условиях регистрации может быть измерен изотопный состав образцов ²⁸Si еще на полтора порядка большей изотопной чистоты. Таким образом, мы показали возможность определения концентрации изотопа ²⁸Si вплоть до 99.999%.

В отличие от известных методов метрологии моноизотопного Si метод ВИМС имеет чрезвычайно высокую степень пространственной локальности и анализирует дозу вещества на уровне нанограмм, что в 103-106 раз меньше требуемого количества материала для других методов. Это позволяет использовать разработанную методику не только для экспресс-анализа объемных образцов моноизотопного кремния, но и для анализа ультратонких слоев моноизотопного Si, что ранее было невозможным.