书 书 书犐犆犛 ７７ ． ０４０ 犎 １７ 中华人民共和国国家标准 犌犅 ／ 犜 ３９１４４ — ２０２０ 氮化镓材料中镁含量的测定二次离子质谱法 犜犲狊狋犿犲狋犺狅犱犳狅狉犿犪犵狀犲狊犻狌犿犮狅狀狋犲狀狋犻狀犵犪犾犾犻狌犿狀犻狋狉犻犱犲犿犪狋犲狉犻犪犾狊 — 犛犲犮狅狀犱犪狉狔犻狅狀犿犪狊狊狊狆犲犮狋狉狅犿犲狋狉狔 ２０２０  １０  １１ 发布 ２０２１  ０９  ０１ 实施 国家市场监督管理总局 国家标准化管理委员会 发布书 书 书前 　　 言 　　 本标准按照 ＧＢ ／ Ｔ１．１ — ２００９ 给出的规则起草 。 本标准由全国半导体设备和材料标准化技术委员会 （ ＳＡＣ ／ ＴＣ２０３ ） 与全国半导体设备和材料标准化技术委员会材料分技术委员会 （ ＳＡＣ ／ ＴＣ２０３ ／ ＳＣ２ ） 共同提出并归口 。 本标准起草单位 ： 中国电子科技集团公司第四十六研究所 、 北京聚睿众邦科技有限公司 、 东莞市中镓半导体科技有限公司 、 有色金属技术经济研究院 、 厦门市科力电子有限公司 。 本标准主要起草人 ： 马农农 、 何友琴 、 陈潇 、 刘立娜 、 何 ? 坤 、 杨素心 、 闫方亮 、 杨丽霞 、 颜建锋 、 倪青青 。 Ⅰ 犌犅 ／ 犜 ３９１４４ — ２０２０ 氮化镓材料中镁含量的测定二次离子质谱法 １ 　 范围 本标准规定了氮化镓材料中镁含量的二次离子质谱测试方法 。 本标准适用于氮化镓材料中镁含量的定量分析 ， 测定范围为不小于 ５×１０ １４ ｃｍ －３ 。 注 ： 氮化镓材料中的镁含量以每立方厘米中的原子数计 。 ２ 　 规范性引用文件 下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。 凡是注日期的引用文件 ， 仅注日期的版本适用于本文件 。 凡是不注日期的引用文件 ， 其最新版本 （ 包括所有的修改单 ） 适用于本文件 。 ＧＢ ／ Ｔ１４２６４ 　 半导体材料术语 ＧＢ ／ Ｔ２２４６１ 　 表面化学分析 　 词汇 ＧＢ ／ Ｔ３２２６７ 　 分析仪器性能测定术语 ３ 　 术语和定义 ＧＢ ／ Ｔ１４２６４ 、 ＧＢ ／ Ｔ２２４６１ 和 ＧＢ ／ Ｔ３２２６７ 界定的术语和定义适用于本文件 。 ４ 　 方法原理 在高真空 （ 真空度优于 １０ －６ Ｐａ ） 条件下 ， 氧离子源产生的一次离子 ， 经过加速 、 纯化 、 聚焦后 ， 轰击氮化镓样品表面 ， 溅射出多种粒子 。 将其中的离子 （ 即二次离子 ） 引出 ， 通过质谱仪将不同质荷比的离子分开 ， 记录并计算样品中镁与镓的离子计数率之比 ， 利用相对灵敏度因子定量分析并计算出氮化镓材料中的镁含量 。 ５ 　 干扰因素 ５ ． １ 　 二次离子质谱仪存在记忆效应 ， 若测试过镁含量较高的样品 ， 仪器样品室内会残留高含量镁 ， 影响镁含量的测试结果 。 ５ ． ２ 　 仪器型号不同或者同一仪器的状态不同 （ 例如电子倍增器效率 、 光圈大小 、 一次束流大小 、 聚焦状态等 ）， 会影响本方法的检出限 。 ５ ． ３ 　 在样品架窗口范围内的样品分析面应平整 ， 以保证每个样品移动到分析位置时 ， 其表面与离子收集光学系统的倾斜度不变 ， 否则会降低测试的准确度 。 ５ ． ４ 　 样品表面吸附的镁离子可能影响镁含量的测试结果 。 ５ ． ５ 　 测试的准确度随着样品的表面粗糙度增大而显著降低 ， 应通过对样品表面化学机械抛光或者化学腐蚀抛光降低表面粗糙度 。 ５ ． ６ 　 标准样品中镁含量的不均匀性会限制测试结果的准确度 。 ５ ． ７ 　 标准样品中镁标称含量的偏差会导致测试结果的偏差 。 １ 犌犅 ／ 犜 ３９１４４ — ２０２０ ６ 　 仪器设备 扇形磁场二次离子质谱仪 （ ＳＩＭＳ ）， 应配备有氧一次离子源 、 能检测正二次离子的电子倍增器 、 法拉第杯检测器和样品架 。 其中 ， 样品架应使样品的分析面处于同一平面并垂直于引出电场 （ 一般 ５０００Ｖ±５００Ｖ ， 根据仪器型号的不同而不同 ）。 ７ 　 样品 ７ ． １ 　 标准样品 体掺杂的镁含量范围为 ５×１０ １５ ｃｍ －３ ～ １×１０ ２０ ｃｍ －３ 的氮化镓单晶作为标准样品 ， 分布不均匀性不大于 ５％ 。 标准样品的分析面应平坦光滑 ， 表面粗糙度 犚犪 不大于 ２ｎｍ 。 ７ ． ２ 　 空白样品 镁含量小于 ５×１０ １４ ｃｍ －３ 的氮化镓单晶样品作为空白样品 。 空白样品的分析面应平坦光滑 ， 表面粗糙度 犚犪 不大于 ２ｎｍ 。 ７ ． ３ 　 测试样品 测试样品的分析面应平坦光滑 ， 表面粗糙度 犚犪 不大于 ２ｎｍ 。 典型样品的尺寸为边长 ５ｍｍ ～ １０ｍｍ 的近似正方形 ， 厚度为 ０．５ｍｍ ～ ２．０ｍｍ 。 ８ 　 试验步骤 ８ ． １ 　 样品装载 将样品装入二次离子质谱仪的样品架 ， 检查确认样品平坦地放在窗口背面 ， 并尽可能多地覆盖窗口 。 一次装入的样品应包括标准样品 、 空白样品和测试样品 。 ８ ． ２ 　 仪器调试 按照仪器说明书开启仪器并调试 ， 直至二次离子质谱仪各项指标达到仪器说明书规定的要求 。 ８ ． ３ 　 测试条件 ８ ． ３ ． １ 　 使用聚焦良好的氧一次离子束 ， 调节衬度光圈和视场光圈 ， 得到最大的 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率 。 在不扫描的情况下 ， 法拉第杯检测器上得到的离子计数率应大于 １×１０ ８ ｓ －１ 。 ８ ． ３ ． ２ 　 先根据氧一次离子束的束斑大小 ， 使用几百微米 × 几百微米的第一扫描面积进行扫描 （ 典型扫描面积为 ２５０ μ ｍ×２５０ μ ｍ ）， 以除去样品的表面自然氧化层及表面沾污 ； 然后使用第二扫描面积进行扫描 ， 第二扫描面积应较第一扫描面积有减少 （ 典型扫描面积为 ５０ μ ｍ×５０ μ ｍ ）。 采用计数时间为 １ｓ 。 ８ ． ４ 　 样品测定 ８ ． ４ ． １ 　 移动样品架 ， 使测试时样品上形成的溅射坑在窗口的中心位置附近 。 ８ ． ４ ． ２ 　 调节氧一次离子束的位置 ， 使其处于分析区域的中心 ， 开始二次离子质谱剖析 。 首先以第一扫描面积溅射样品 ５０ 个 ～ １００ 个磁场周期 ， 直到镁的信号强度稳定 。 减小扫描面积到第二扫描面积 ， 继续溅射样品 ， 直到镁的信号强度稳定 。 ８ ． ４ ． ３ 　 每次剖析结束后 ， 仪器自动记录电子倍增器上 ２４ Ｍｇ ＋ 的离子计数率和法拉第杯检测器上主元 ２ 犌犅 ／ 犜 ３９１４４ — ２０２０ 素 ６９ Ｇａ ＋ 的离子计数率 ， 对最后 ２０ 个磁场周期的 ２４ Ｍｇ ＋ 、 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率的测试结果进行平均并输出 。 根据 ２４ Ｍｇ ＋ 、 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率的输出值 ， 计算出二者离子计数率之比 。 ８ ． ４ ． ４ 　 按照标准样品 、 空白样品 、 测试样品的测试顺序分别重复 ８．４．１ ～ ８．４．３ 步骤 ， 对样品架上的样品进行测试 。 ８ ． ４ ． ５ 　 如果测试的空白样品中的 ２４ Ｍｇ ＋ 离子计数率和 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率之比超过测试样品的 ２０％ ～ ５０％ ， 则停止测试 ， 分析造成仪器背景较高的原因 。 ９ 　 试验数据处理 ９ ． １ 　 镁的相对灵敏度因子按式 （ １ ） 计算 ： 犚犛犉 （ Ｍｇ ） ＝ ［ Ｍｇ ］（ ２４ Ｍｇ ＋ ）／（ ６９ Ｇａ ＋ ） ……………………（ １ ） 　　 式中 ： 犚犛犉 （ Ｍｇ ） 　　　　　　 ——— 镁的相对灵敏度因子 ； ［ Ｍｇ ］ ——— 标准样品中镁的标称含量 ， 单位为每立方厘米 （ ｃｍ －３ ）；（ ２４ Ｍｇ ＋ ）／（ ６９ Ｇａ ＋ ）——— 标准样品中 ２４ Ｍｇ ＋ 离子计数率和 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率之比 。 ９ ． ２ 　 测试样品中的镁含量按式 （ ２ ） 计算 ：［ Ｍｇ ］ 狌 ＝ 犛狌 （ Ｍｇ ） × 犚犛犉 （ Ｍｇ ） ……………………（ ２ ） 　　 式中 ：［ Ｍｇ ］ 狌 　 ——— 测试样品中镁的含量 ， 单位为每立方厘米 （ ｃｍ －３ ）； 犛狌 （ Ｍｇ ） ——— 测试样品中 ２４ Ｍｇ ＋ 离子计数率和 ６９ Ｇａ ＋ 离子计数率之比 ； 犚犛犉 （ Ｍｇ ） ——— 镁的相对灵敏度因子 。 １０ 　 精密度 在同一实验室 ， 选取 ２ 片氮化镓单晶片 ， 分别选取 １０ 个测试位置 ， 采用二次离子质谱仪按照本标准规定的方法进行测试 。 该方法单一实验室对镁含量测试的相对标准偏差不大于 １０％ 。 １１ 　 试验报告 试验报告应包括以下内容 ： ａ ） 　 样品来源及编号 ； ｂ ） 　 标准样品和测试样品的编号 ； ｃ ） 　 测试样品的取样位置 ； ｄ ） 　 镁的相对灵敏度因子 ； ｅ ） 　 测试样品和空白样品中的镁含量 ； ｆ ） 　 使用的仪器型号 ； ｇ ） 　 操作者及测试日期 ； ｈ ） 　 本标准编号 ； ｉ ） 　 其他与本标准不一致的内容 。 犌犅 ／ 犜 ３９１４４ — ２０２０