Раздел 5 Эмиссионные методы диагностики наноматериалов и структур (стр. 4 )

5.2.4 Растровая  Оже-электронная спектроскопия

Оже-электронная спектроскопия дает информацию об элементном составе участка поверхности тела, размеры которого в первом приближении определяются размерами самого электронного зонда (пучка первичных электронов). Перемещая электронный зонд по поверхности, можно получить данные о распределении элементов на ней в разных точках. В Оже-спектрометрах первого поколения диаметр электронного пучка составлял десятые (в лучшем случае сотые) доли миллиметра. Поэтому и пространственное разрешение было того же порядка.

В настоящее время выпускаются так называемые сканирующие Оже-спектрометры, в которых два прибора объединены вместе. Основой такого комплекса является сканирующий (растровый) электронный микроскоп (РЭМ), в котором электронный пучок очень малого диаметра (несколько нанометров) передвигается в двух перпендикулярных направлениях, засвечивая определенный участок поверхности (точно так же, как в обычной телевизионной трубке). Величина возникающего при этом тока вторичных электронов зависит от различных свойств поверхности. Таким образом, в каждый момент времени вторичные электроны несут информацию с участка, определяемого размерами электронного пучка. Визуализация картины осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки (подобной телевизионной), в которой синхронно с электронным зондом движется свой электронный пучок. Если сигнал, пропорциональный току вторичных электронов, подать на модулирующий электрод электронной пушки трубки, то на экране мы увидим изображение поверхности в так называемом режиме вторичных электронов. Такой прибор позволяет получить картину, отражающую эмиссионные свойства объекта. При этом сказать что-либо об элементном составе оказывается непростой задачей.

Если наряду с коллектором, служащим для сбора вторичных электронов, установить энергоанализатор, то получится прибор, на котором можно получать изображение поверхности не только во вторичных электронах, но и в оже-электронах. Для этого энергоанализатор необходимо настроить на энергию интересующих нас Оже-электронов, а на экране видно распределение соответствующего элемента на поверхности. Для получения информации о распределении всех примесей, надо поочередно настраиваться на другие энергии Оже-электронов. На рис. 5.10 приведено упрощенное схематическое изображение такого комбайна.

Существенным отличием сканирующего Оже-спектрометра от обычного РЭМа является конструкция вакуумной системы, позволяющая достигать давлений р < 10- 8 Па (в обычных РЭМах р ~ 10- 3-10- 4 Па). Такой сверхвысокий вакуум необходим по той причине, что глубина выхода оже-электронов составляет (0,5-1) нм и любые загрязнения, в том числе и адсорбированные из остаточной атмосферы аналитической камеры частицы, приводят к сильному искажению результатов.

Рис.5.10 Схематическое изображение растрового оже спектрометра:

1 - образец, 2 - коллектор для сбора вторичных электронов, 3 - энергоанализатор электронов, 4 - детектор энергоанализатора, 5 - электронно-лучевая трубка, 6 - катод электронной пушки, 7 - модулятор электронной пушки, 8 - отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, служащей для получения растра, 9 - экран электронно-лучевой трубки

5.2.5 Применение Оже-электронной спектроскопии

Традиционные области применения ОЭС - изучение процессов адсорбции и десорбции на поверхностях твердых тел, коррозии, явлений, происходящих при поверхностном гетерогенном катализе, контроль за чистотой поверхности в различных технологических процессах.

С появлением сканирующих оже-спектрометров ОЭС широко используется и в микроэлектронике, в том числе для выявления причин отказа различных элементов микросхем.

Основные области применения ОЭС непрерывно расширяются по мере совершенствования самого метода. Примером этого может служить появление сканирующей оже-спектроскопии, позволяющей получать карты распределения различных элементов с разрешением в несколько десятков нанометров, в результате чего стало возможно использовать ОЭС в микроэлектронике. Современные приборы дополнительно снабжены источниками ускоренных ионов, которые могут послойно стравливать образцы. Благодаря этому появилась возможность проводить трехмерный анализ состава объектов. Следует отметить, что в настоящее время удается получать недифференцированные оже-спектры, что существенно упрощает изучение тонкой структуры самих оже-линий, которая связана с наличием химических связей. Таким образом, ОЭС в перспективе может превратиться из метода анализа элементного состава в количественный метод анализа химического состава поверхности, что сделает его еще более универсальным инструментом.

§ 5.3  Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

5.3.1 Принцип и возможности метода РФЭС

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС) основана на фотоэффекте с использованием рентгеновского излучения. При облучении вещества происходит поглощение рентгеновского кванта hv (h-постоянная Планка, v-частота излучения), сопровождающееся эмиссией электрона (наз. фотоэлектроном) с внутренних или внешних оболочек атома. Энергия связи электрона Есв в образце в соответствии с законом сохранения энергии определяется уравнением:

Есв = hv-Eкин

где Eкин - кинетическая энергия фотоэлектрона.

Значения Есв электронов внутренних оболочек специфичны для данного атома, поэтому по ним однозначно можно определить состав химического соединения. Кроме того, эти величины отражают характер взаимодействия исследуемого атома с другими атомами в соединении, т. е. зависят от характера химической связи. Количественный состав образца определяют по интенсивности I потока фотоэлектронов.

Принципиальная схема прибора для РЭС-электронного спектрометра-показана на рис. 5.11. Образцы облучают рентгеновским излучением из рентгеновской трубки [обычно используют линии Кб Al или Mg с энергиями кванта hv соответственно 1486 и 1254 эВ] либо синхротронным излучением.

Рис. 5.11. Схема электронного спектрометра:

1-источник излучения; 2-образец; 3- анализатор; 4-детектор;

5-экран для · защиты от магнитного поля.

Фотоэлектроны попадают в анализатор-прибор, в котором из общего потока выделяются электроны с определенной Екин. Сфокусированный монохроматичный поток электронов из анализатора направляется в детектор, где определяется его интенсивность I. В рентгеноэлектронном спектре разным атомам соответствуют свои максимумы интенсивности (рис. 5.12), хотя некоторые максимумы могут сливаться, давая одну полосу с увеличенной интенсивностью. Линии спектра обозначают следующим образом: рядом с символом элемента называют исследуемую орбиталь (например, запись Cls означает, что регистрируют фотоэлектроны с орби-тали 1s углерода).

Рисунок. 5.12. Рентгеноэлектронный спектр С1s этилтрифторацетата.

РЭС позволяет исследовать все элементы, кроме Н, при содержании их в образце ~ 10-5 г (пределы обнаружения элемента с помощью РЭС 10-7-10-9 г). Относительное содержание элемента может составлять доли процента. Образцы могут быть твердыми, жидкими или газообразными.

Величина Eсв электрона внутренней. оболочки атома А в соединениях зависит от эффективного заряда qА на этом атоме и электростатического. потенциала U, создаваемого всеми другими атомами соединения (т. наз. потенциала Маделунга):

Eсв = kqА + U

где k-коэфициент пропорциональности.

РЭС-один из основных способов определения состава поверхности, широко используется при изучении адсорбции, катализа, коррозии и т. д. Применение метода для этих целей основано на прямой зависимости интенсивности IА(i) линий i изучаемого атома А от его концентрации СА в поверхностном слое толщиной 2-3 нм, сопоставимой с длиной (л) свободного пробега электрона в веществе:

IА(i)=САуА(i)лi

Величина уА(i) – сечение фотоионизации энергетического уровня i, отражает вероятность ионизации атома А с этого уровня. Для энергетических уровней i и j атомов А и В справедливо соотношение:

Величины уА(i), лi уB(j), лj –  можно рассчитать теоретически и на основе измеренных значений IА(i) и IB(j) определить СА/СВ. Надежнее, однако, измерить величины IА(i)/IB(j) для нескольких известных значений СА/СВ и экспериментально определить величину постоянного множителя (уА(i)лi /уB(j)лj )= const, а затем определить неизвестные отношения СА/СВ по измеренным значениям IА(i)/IB(j). Этот прием называют методом градуировочных кривых.

Для изучения распределения концентрации элементов по глубине образца необходимо проводить ионное травление, для чего применяют, например, потоки ионов Аr+ и Кr+. За минуту с образца удаляется слой толщиной до нескольких десятков нанометров. Через определенные промежутки времени проводят рентгеноэлектронный анализ поверхности и получают зависимость интенсивностей. Ii от времени травления или от глубины, если известна скорость ионного травления. Таким образом можно проводить послойный анализ на глубину до нескольких микрометров. Используя зависимость интенсивности I от угла б (рис. 5.11), можно определить изменение состава образца по глубине до 10 нм без его разрушения.