Auger电子能谱(AES)

定性分析是进行AES分析的首要内容，是根据测得 的Auger电子谱峰的位置和形状识别分析区域内所
存在的元素。 方法是将采集到的Auger电子谱与标准谱图进行对 比，来识别分析区域内的未知元素。 由于微分谱具有比较好的信背比，利于元素的识别， 因此，在定性分析中，一般用微分谱。
定性分析的一般步骤：
微分谱，是人们解决强大背底所选用的重要 方法之一。从而使Auger电子能谱成为今天 的重要表面分析技术之一。
微分法
俄歇电子有很强的背底噪音.
俄歇图谱采用微分后曲线的负峰能量 作为俄歇动能进行标定
微分谱
Fe经轻微氧化的d[EN(E)]/dE谱和dN(E)/dE谱
5. AES分析方法
5.1 定性分析
2.6 俄歇电子能谱的基本原理
俄歇电子的能量和入射电子的能量无关，
只依赖于原子的能级结构和俄歇电子发射 前它所处的能级位置。 产生的俄歇电子动能： Ewxy=Ew-Ex-Ey
Auger电子能谱手册
Perkin-Elmer 公 司
的 Auger 电 子 能 谱 手册，其中给出了 各种原子不同系列 的Auger峰位置。
1）根据最强的俄歇峰能量，查《俄歇电子能谱
手册》，确定元素。 2）标注所有此元素的峰。 3）微量元素的峰，可能只有主峰才能在图谱上 观测到。 4）未标识峰可能是能量损失峰。通过改变入射 电子能量辨别。 注意：化学环境对俄歇谱的影响造成定性分析的 困难(但又为研究样品表面状况提供了有益的信 息)，应注意识别。
谱仪的能量分辨率由CMA决定，通常CMA的分 辨率<0.5%，所以ΔE约为5~10eV。 谱仪的空间分辨率与电子束的最小束斑直径 有关。目前商品的最小束斑直径>500埃。采 用场发射俄歇电子枪束斑直径可以>60埃。 检测极限（灵敏度）。一般认为俄歇谱仪典 型的检测极限为0.1%。

4. Auger电子能谱的测量
定性分析
Al的标准AES谱
Al2O3的标准AES谱
定性分析
TiN的Auger电子谱
俄歇电子能谱定性分析总结
任务：根据实测的直接谱(俄歇峰)或微分谱
上的负峰的位置识别元素。 方法：与标准谱进行对比。 注意：由于电子轨道之间可实现不同的俄歇 跃迁过程，所以每种元素都有丰富的俄歇谱， 由此导致不同元素俄歇峰的干扰。 对于原子序数为3~14的元素，最显著的俄歇 峰是由KLL跃迁形成的；对于原子序数14~40 的元素，最显著的俄歇峰则是由LMM跃迁形成 的。
扫描Auger显微探针(SAM)
目前，最好的SAM的初级电子束直径为<15
nm，其空间分辨能力很高。
在实际的分析过程中，可用的最小束径一般
大于电子枪的最小束径。因为：(1)束径越 细，使得信噪比下降。(2)样品的抗辐照损 伤的能力对束径的大小有限制。(3)束斑漂 移对束径也有限制。
扫描Auger显微探针(SAM)
2.5俄歇电子产额
俄歇电子产额或跃迁
几率决定俄歇谱峰强 度，直接关系到元素 的定量分析。俄歇电 子与特征X射线是两个 互相关联和竞争的发 射过程。
俄歇电子产额与原子序数的关系
由图可知，Z<19，发射俄歇电 子的几率在90％以上；随Z的增 加，X射线荧光产额增加，而俄 歇电子产额下降。Z<33时，俄 歇发射占优势。
2.2 Auger跃迁的标记
Auger跃迁的标记以空位、 跃迁电子、发射 电子所在的能级为基础。如初态空位在K能级， L1能级上的一个电子向下跃迁填充 K 空位，同 时激发 L3 上的一个电子发射出去便记为 KL1L3 。 一般地说，任意一种Auger过程均可用 WiXpYq 来表示。 此处， Wi, Xp 和 Yq 代表所对应的电 子轨道。
能力。
EAES与 XAES的比较
XAES 也具有很多优点： （1）由于X射线引发的二次电子较弱，俄歇
峰具有很高的信/背比； （2）X射线引发的俄歇电子具有较高的能量 分辨率； （3）X射线束对样品的表面损伤小得多。
2.4 俄歇分析的选择
对于Z≤14的元素，采用KLL俄歇电子分析； 14<Z<42的元素，采用LMM俄歇电子较合适； Z>42时，以采用MNN和MNO俄歇电子为佳。
augeraesaugerelectronspectroscopy1925年pierreauger在wilson云室中发现了俄歇电子1953年jjlander首次使用了电子束激发的俄歇电子能谱1967年在harris采用了微分锁相技术使俄歇电子能谱获得了很高的信背比后才开始出现了商业化的俄歇电子能谱仪现有很高微区分辨能力的扫描俄歇微探针scanningaugermicroprobesam电子计算机的引入使能谱仪的功能更趋完善

N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1
2.3 EAES与 XAES的比较
用电子束作为激发源的优点是： 电子束的强度大于X射线源多个数量级； 电子束可以进行聚焦，具有很高的空间分辨率； 电子束可以扫描，具有很强的图像分析功能； 由于电子束束斑直径小，具有很强的深度分析
dN(E)/dE / a.u.
Normal
Si C 0 200
N O
Abnormal
400 600 800 Kinetic Energy / eV
1000
图 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇定性分析谱
5.3.1 点分析
Si
ACP / ％
Si
ACP / ％
N
O 0 2 4 6 8 Sputtering Time / min 10
4.1 直接谱

直接谱根据能量分辨率的不同设置方式， 也有两种形式，即EN(E)~E和 N(E)~E。 低于微分谱。
直接谱的信噪比优于微分谱，但信背比却 在实际的工作中，应针对具体的问题，结
合微分谱和直接谱而进行分析。
直接谱
Fe经轻微氧化的EN(E)~E和N(E)~E谱
4.2微分谱
用锁定放大技术和微分电路获取Auger电子
每种元素的各种
Auger 电 子 的 能 量 是识别该元素的重 要依据。Biblioteka 3. 俄歇电子能谱仪的组成
主要组成部分：电
子枪、能量分析器、 二次电子探测器、 （样品）分析室、 溅射离子枪和信号 处理与记录系统等。 样品和电子枪装置 需置于超高真空分 析室中。
俄歇谱仪示意图
3.1 电子枪
电子枪是用于激发Auger电子的装置。
5.2．半定量分析
基本上是半定量的水平(常规情况下，相
对精度仅为30%左右) 常用的定量分析方法是相对灵敏度因子法。 该法准确性较低，但不需标样，因而应用 较广。
AES定量分析的主要困难
试样的复杂性，即试样的非均匀性、表面
成分的未知性、试样表面的粗糙度的影响， 多晶样品表面取向不同的影响。 仪器性能对分析结果的影响。 基体效应对分析结果的影响。
5.3. 扫描Auger显微探针(SAM)： 微区分析
SAM是利用Auger电子能谱研究表面二维元
素分布的一项技术。它是将很细的初级电 子束在样品表面扫描，同时选取某一元素 Auger电子峰的能量，使该元素的Auger电 子成像。这样，它不仅可以知道样品表面 的元素种类、含量，还可以得知各元素在 表面的分布情况。
1.前言
现有很高微区分辨能力的扫描俄歇微探针
（ Scanning Auger Microprobe, SAM ） , 成 为微区分析的有力工具
电子计算机的引入，使能谱仪的功能更趋完
善。目前其已成为许多科学领域和工业应用 中的最重要的表面分析手段之一。
1.前言--AES的特点
表面性（1-2nm） 具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为1-5原
5.3 微区分析
可以分为选点分析，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 究中最常用的方法，也是纳米材料研究的 主要手段。
5.3.1 微区分析(点分析)
在正常样品区，表面主 要有Si, N,C和O元素存 在。而在损伤点，表面 的C,O含量很高，而Si, N元素的含量却比较低。 这结果说明在损伤区发 生了Si3N4薄膜的分解。
子单层 同时定性分析除氢氦以外的所有元素 半定量分析表面成份 化学价态分析 微区分析 界面分析
2.Auger过程
(a) KL1L3 Auger 跃迁 (b) K1 辐射跃迁
在原子内某一内层电子电离而形成空位(如K层)， 则该电离原子的去激发可以有两种方式： 一个能量较高态的电子填充该空位，同时发出 特征X射线，即辐射跃迁。 一个较高能量的电子跃迁到空位，同时另一个 电子被激发发射，这是一无辐射跃迁过程，这一 过程被称为Auger效应,被发射的电子称为Auger 电子。
AES Auger效应
电子能级、X射线能级和电子数
3d5/2 3d3/2 3p3/2 3p1/2 3s1/2 2p3/2 2p1/2 2s1/2 1s1/2


样品的预处理室是对样品表面进行预处理
的单元。一般可完成清洗、断裂、镀膜、 退火等一系列预处理工作。
3.5 其它附件
目前，一般都配有SAM功能，可以对样品
表面进行二维AES成像。
还可在样品室上安装加热、冷却等功能，研 究样品在特殊环境下的状态。
还可根据用户的要求配置EDX等辅助功能。
3.6 俄歇谱仪的分辨率和灵敏度
在Auger电子能谱仪中，所采集的Auger电子
谱中，不仅有Auger电子信号，同时也存在其 它的二次电子。 用 于 分 析 的 Auger 电 子 的 能 量 一 般 在 0~2000eV，它所对应的平均自由程为0.5~3 nm，即1~5个原子层左右。因此，Auger电 子的信号强度在整个电子信号中所占的比例 是相当小的，即AES中有强大的背底。
• Measure Auger signal at many points on the surface. • Creates 3D elemental map of surface. • Requires a highly focused electron beam. • Spatial resolution is about 0.1 μm • Generally use a concentric hemispherical analyzer (CHA) instead of CMA. • When used with an Ar+ sputter beam, composition depth profiling may be done.
Selected Energy Electron Auger Electrons Multiplier
CMA的原理结构
3.3 真空系统
Auger电子谱仪都带有超高真空系统。系 统的真空度一般优于6.710-8Pa。
3.4 离子枪和预处理室
离子枪是进行样品表面剖离的装置，主要
用于样品的清洗和样品表层成分的深度剖 层分析。常用Ar作为剖离离子，能量在 1~5 KeV。
Auger电子能谱(AES)
Auger Electron spectroscopy
1.前言
1925年Pierre Auger在Wilson云室中发现了俄
歇电子 1953年nder首次使用了电子束激发的俄 歇电子能谱 1967年在Harris采用了微分锁相技术，使俄歇 电子能谱获得了很高的信背比后，才开始出现 了商业化的俄歇电子能谱仪
M5 M4 M3 M2 M1 L3 L2 L1 K
AES Auger效应
电子能级、X射线能级和电子数
4f5/2 4f5/2 4d5/2 4d3/2 4p3/2 4p1/2 4s1/2

N O 0 2 4 6 8 Sputtering Time / min 10
电子枪的电子束斑直径，决定着SAM的空间
分辨率。目前，商品仪器中，最小的电子束 斑直径为<15 nm，最大加速电压为20 keV。
3.2 电子能量分析器
在表面分析技术中使用的电子能量分析器 都是静电型的。 最常用的为筒镜型能量分析器(CMA）。
电子能量分析器
-V
Sample
Electron Gun