第七章 俄歇电子能谱分析

1 第七章 俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析 当电子束照射到样品表面时当电子束照射到样品表面时，将有带着该样品特征将有带着该样品特征 的的Auger电子从样品表面发射电子从样品表面发射。从从Auger电子可以得电子可以得 到到 如下信息如下信息： 发射的发射的Auger电子能量电子能量确定元素种类确定元素种类 Auger电子数量电子数量元素含量元素含量 电子束聚焦电子束聚焦、偏转和扫描偏转和扫描元素面分布元素面分布 离子束溅射刻蚀离子束溅射刻蚀元素深度分布元素深度分布 AES是一种重要的是一种重要的表面表面成分分析技术成分分析技术。其最大特点是其最大特点是： 信息来自表面信息来自表面 （3 - 30） 具有微区分析能力具有微区分析能力（横向与深度分辨率好横向与深度分辨率好） 可分析除氢氦以外的所有元素可分析除氢氦以外的所有元素 样品要求是导体或半导体材料样品要求是导体或半导体材料； 2 俄歇电子能谱俄歇电子能谱基本原理基本原理(1)原子内某一内层电子被 原子内某一内层电子被 激发电离从而形成空位激发电离从而形成空位， (2)一个较高能级的电子跃一个较高能级的电子跃 迁到该空位上迁到该空位上， (3)再接着另一个电子被激再接着另一个电子被激 发发射发发射，形成无辐射跃迁过形成无辐射跃迁过 程程，这一过程被称为这一过程被称为Auger 效应效应,被发射的电子称为被发射的电子称为 Auger电子电子。 (4)能够保持特征能量而逸能够保持特征能量而逸 出表面的俄歇电子出表面的俄歇电子，其发射其发射 深度仅限于表面以下大约深度仅限于表面以下大约 2nm以内的深度以内的深度，相当于几相当于几 个原子层个原子层，故特别适于分析故特别适于分析 表面成分表面成分。 3 俄歇电子的标识俄歇电子的标识俄歇电子的标识俄歇电子的标识 标识为标识为标识为标识为KLKL 2 2L L3 3 俄歇电子俄歇电子：俄歇电子俄歇电子：KLKL 2 2L L3 3 顺序表示俄歇过程初态顺序表示俄歇过程初态顺序表示俄歇过程初态顺序表示俄歇过程初态 空位所在能级空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级及向空位作无辐射跃迁电子原在能级及空位所在能级空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级及向空位作无辐射跃迁电子原在能级及 所发射电子原在能级的能级符号所发射电子原在能级的能级符号所发射电子原在能级的能级符号所发射电子原在能级的能级符号 表表1 1 俄歇电子能级符号俄歇电子能级符号 5D3/25P3/25P1/25S4F7/24F5/24D5/24D3/24P3/24P1/2能级能级 O4O3O2O1N7N6N5N4N3N2符号符号 4S3D5/22D3/23P3/23P1/23S2P3/22P1/22S1S能级能级 N1M5M4M3M2M1L3L2L1K符号符号 4 用微分谱进行分析时用微分谱进行分析时，一般以负峰能量值作为俄歇一般以负峰能量值作为俄歇用微分谱进行分析时用微分谱进行分析时，一般以负峰能量值作为俄歇一般以负峰能量值作为俄歇 电子能量电子能量，用以识别元素用以识别元素电子能量电子能量，用以识别元素用以识别元素( ( ( (定性分析定性分析定性分析定性分析) ) ) )，以峰以峰，以峰以峰峰值峰值峰值峰值 ( ( ( (正负峰高度差正负峰高度差正负峰高度差正负峰高度差) ) ) )代表俄歇峰强度代表俄歇峰强度，用于定量分析用于定量分析。代表俄歇峰强度代表俄歇峰强度，用于定量分析用于定量分析。 7.2 7.2 俄歇谱俄歇谱 直接谱与微分谱直接谱与微分谱直接谱与微分谱直接谱与微分谱 5 俄歇电子能谱的定性分析俄歇电子能谱的定性分析 俄歇电子能谱的定量分析俄歇电子能谱的定量分析 俄歇电子能谱的深度分析俄歇电子能谱的深度分析 俄歇电子能谱的微区分析俄歇电子能谱的微区分析 俄歇电子能谱的价态分析俄歇电子能谱的价态分析 7.4 俄歇电子能谱分析俄歇电子能谱分析 6 由于俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关由于俄歇电子的能量仅与原子本身的轨道能级有关，与与 入射电子的能量无关入射电子的能量无关，也就是说与激发源无关也就是说与激发源无关。 对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程对于特定的元素及特定的俄歇跃迁过程，其俄歇电子的其俄歇电子的 能量是特征的能量是特征的。由此由此，可以根据俄歇电子的动能用来定可以根据俄歇电子的动能用来定 性分析样品表面物质的元素种类性分析样品表面物质的元素种类。 该定性分析方法可以适用于除氢该定性分析方法可以适用于除氢、氦以外的所有元素氦以外的所有元素， 且由于每个元素会有多个俄歇峰且由于每个元素会有多个俄歇峰，定性分析的准确度很定性分析的准确度很 高高。 因此因此，AESAES技术是适用于对所有元素进行一次全分析的有技术是适用于对所有元素进行一次全分析的有 效定性分析方法效定性分析方法，这对于未知样品的定性鉴定是非常有这对于未知样品的定性鉴定是非常有 效的效的。 1 定性分析定性分析 7 0100200300400500600 C KLL Ti KLL O KLL 俄歇电子动能 / eV 计数 / 任意单位 278.0 385 415 510 金刚石表面的Ti薄膜的俄歇定性分析谱 电子枪的加速电压为电子枪的加速电压为3 kV3 kV。 8 3 俄歇深度剖析俄歇深度剖析 AESAES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用的深度分析功能是俄歇电子能谱最有用 的分析功能的分析功能。 一般采用一般采用ArAr离子束进行样品表面剥离的深度离子束进行样品表面剥离的深度 分析方法分析方法。 其分析原理是先用其分析原理是先用ArAr离子把表面一定厚度的离子把表面一定厚度的 表面层溅射掉表面层溅射掉，然后再用然后再用AESAES分析剥离后的分析剥离后的 表面元素含量表面元素含量，这样就可以获得元素在样品这样就可以获得元素在样品 中沿深度方向的分布中沿深度方向的分布。 9 横坐标为溅射时间横坐标为溅射时间，与与 溅射深度有对应关系溅射深度有对应关系。 纵坐标为元素的原子百纵坐标为元素的原子百 分比分比。 可以清晰地看到各元素可以清晰地看到各元素 在薄膜中的分布情况在薄膜中的分布情况。 在经过界面反应后在经过界面反应后，在在 PZTPZT薄膜与硅基底间形成薄膜与硅基底间形成 了稳定的了稳定的SiO2SiO2界面层界面层。 这界面层是通过从样品这界面层是通过从样品 表面扩散进的氧与从基表面扩散进的氧与从基 底上扩散出的硅反应而底上扩散出的硅反应而 形成的形成的。 00.511.522.533.54 0 20 40 60 80 100 O O Si Si O PZT 溅射时间 / min 原子摩尔百分数浓度 SiO2 界面层 10 4 微区分析微区分析 微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能微区分析也是俄歇电子能谱分析的一个重要功能，可可 以分为选点分析以分为选点分析，线扫描分析和面扫描分析三个方面线扫描分析和面扫描分析三个方面。 这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常用这种功能是俄歇电子能谱在微电子器件研究中最常用 的方法的方法，也是纳米材料研究的主要手段也是纳米材料研究的主要手段。 半导体器件测半导体器件测 试模板的试模板的SEMSEM 图和图和AESAES面扫面扫 描分析图描分析图（C, C, Si, OSi, O元素分元素分 布布） 11 5 俄歇化学位移俄歇化学位移 俄歇电子的动能主要由元素的俄歇电子的动能主要由元素的 种类和跃迁轨道所决定种类和跃迁轨道所决定； 但在不同的