14156卢瑟福背散射分析

2 2 θ+ M 2 M 1cos 2 - M 1 sin θ 2 ) 称为背散 式中 , K = ( M1 + M2
射运动因子 , 它仅与 M 1 , M 2 和 θ有关 。靶原子质 量越重 ,散射离子能量越大 。散射离子能量差越大 , 越容易区分不同质量的靶杂质原子 。 1. 2 背散射能量损失因子 离子在贯穿样品时 , 要与靶原子电子发生非弹 性碰撞 ( 即电离和激发) 而损失其能量 。若入射束和 散射束与样品表面法线间的夹角分别为 θ 1 和θ 2 (见 图 1c) ,入射离子在靶样品表面时的能量为 E0 ,则到 达样品内一定深度 t 发生碰撞前的离子能量为 E θ t/ cos 1 d E ( ) dx ( 2) E = E0 dX 1 0 式中 ( d E/ d X ) 1 为入射离子在该靶物质中的阻止本
图1 离子背散射示意图
1 Δ E 和 Eout = E1 + 1 4 4
E1 = KE0
( 1)
Δ E 。平均能量法比表面近似法准 。在许多背散射 实验中 ,入射离子垂直于样品表面入射 , 即 θ 1 = θ, θ 。 下面讨论背散射产额和能谱时 , 均假定 2 =π - θ 为垂直入射情况 。
1. 3 背散射截面
可同时安装上好几个样品 ,不必破坏靶室真空 ,只需 移动样品架 ,就可对这些样品逐一进行分析 。 2. 3 最佳实验条件选择 做背散射分析时 ,为得到好的质量分辨率 、 深度 分辨率和探测灵敏度 ,需对探测角度 、 离子种类和能 量等进行合理选择 。从 K 值和σ 公式可知 , 在 θ = 180° 附近测量散射粒子最为有利 , 这时 9 K/ 9θ 小 , σ变化小 ,可增大探测立体角 Ω 来提高探测效率 。 一般 θ选 165° 或 170° 角度 ,Ω 为几个毫环面度 。 由式 ( 1) 得到质量分辨率为 Δ M 2 = (Δ E1 / E0 ) ・
∫
0
θ t/ cos 1
(
dE ) dx + dX 1
∫
0
θ t/ cos 2
(
dE ) d x ( 4) dX 2
Δ E 与深度有关 。所以离子背散射分析可获得样品 中原子的深度分布和薄膜厚度信息 。对于深度 ( 或 膜厚度 ) 小于几百纳米的样品分析 , ( d E/ d X ) 1 和 ( d E/ d X ) 2 可视为常数 。用能量为 E0 时的 ( d E/ d X ) E0 替代 ( d E/ d X ) 1 , 用 KE0 时的 ( d E/ d X ) KE0 替 代 ( d E/ d X ) 2 ,即采用表面能量近似来计算 。于是 Δ E 可写成
20 世纪 60 年代中后期首先应用卢瑟福背散射于月
离子计数可确定靶原子浓度 。 1. 1 背散射运动学因子 在弹性碰撞 ( 见图 1b ) 中 , 当入射离子的能量 E0 和质量 M 1 一定 , 散射角θ确定时 , 散射离子能量
E1 只与靶原子质量 M 2 ( M 1 < M 2 ) 有关 ,有关系式
件、 质量分辨率和分析灵敏度。列举了卢瑟福背散射分析在材料表面层和薄膜研究中的应用例子。 关键词 : 卢瑟福背散射 ; 表面层分析 ; 薄膜分析
中图分类号 : O484. 5 ; O571. 33 文献标识码 : E 文章编号 : 100124012 ( 2002) 0120041206
[S E ] ( ) δ( KE) = S KE δE1 S ( E1 ) ( 9)
式中 δE1 为能谱中每一道所对应的能量 , 称道宽 , 一般为几个 keV ; S ( KE) 和 S ( E1 ) 分别为能量 KE 和 E1 的离子在样品中的阻止本领 ; [ S ( E) ] 为离子 能量 E 时的背散射能量损失因子 。 H ( E1 ) 与 N 有 关 ,因此 ,卢瑟福背散射分析可给出元素深度分布信 息 。同样 ,由于探测器固有能量分辨率 、 入射束的固 有能散和出射束在样品中的能量歧离效应 ( 能量损 失的统计涨落 ) 影响 , 厚样品 RBS 能谱的前沿和后 沿谱线不是很陡了 。对于无限厚样品 , RBS 谱的低 能侧一直连续延伸到最低道数处 , 随着深度的增加 入射粒子能量逐渐降低 ,散射截面增大 ,因而谱高度 逐渐增高 。背散射谱的形状和深度分布都可用计算 机程序模拟和分析得到 [ 5 ] 。
离子发生背散射的几率 , 可用卢瑟福散射截面 公式计算
2 4 Z2 1 Z2 e
θ+ cos
σ=
M1 )2 1 - ( sinθ M2
2
4 E2 sin4θ
M1 )2 1 - ( sinθ M2
( 6)
∫
式中 Z1 , Z2 — — — 入射离子和靶原子的原子序数 e— — — 电子电荷 σ— — — 微分散射截面 ,cm2 Z2 越大 ,σ越大 , 因此离子背散射对轻基体中的重 杂质分析较为灵敏 。 1. 4 背散射产额和能谱 如果用束流积分仪测定的入射离子数为 Q , 探 测器对样品所张的立体角为 Ω ,样品单位面积上的 原子数为 N t ,则在散射角度 θ方向 ,被探测器所记 录的散射粒子计数 ( 产额) A 为 ( 7) A = Qσ N tΩ 若一单位面积上含有等量的 O , Si ,Cu ,Ag 和 Au 原 子的薄样品 , 其背散射能谱 ( 横坐标为散射离子能 量 ,纵坐标为产额计数 ) 为五个分裂的小峰 。根据 K 因子公式和σ 公式 , 与重元素 Au 发生背散射后 的能量最大 , 计数最多 ; 与 O 散射后的离子能量最 小 ,计数最少 。由于探测器系统固有的能量分辨率 影响 ,从这薄样品上各元素散射的离子能谱呈高斯 型分布的小峰 。 对于有一定厚度的样品 ,背散射能谱呈矩形状 。 谱的高能侧 ( 前沿半高处) 为对应于从样品表面散射 的离子能量 KE0 ,低能侧 ( 后沿半高处 ) 对应于从样 品后表面 ( 或一定深度处) 散射后到达探测器的能量
第 38 卷第 1 期 2002 年 1 月
) PTCA ( PAR T A : PH YSICAL TESTIN G
理化检验2物理分册
Vol. 38 No. 1 Jan. 2002
表面分析技术专题讲座
卢瑟福背散射分析
赵国庆
( 复旦大学现代物理研究所 , 上海 200433)
摘 要 : 对卢瑟福背散射分析的基本原理作了概要的介绍 。论述了背散射分析的最佳实验条
球表面元素成分分析至今 ,已发展成熟 ,成为一种常 规的杂质成分 、 含量及深度分布 、 膜厚度分析手段 , 在材料 、 微电子 、 薄膜物理 、 能源等领域进行交叉学 科的研究中 ,有着重要的作用 。 本文 将 对 卢 瑟 福 背 散 射 谱 学 ( Rut herford Backscattering Spect romet ry , RBS) 基本原理和它的 应用作一些介绍 [ 1～4 ] 。
( d E/ d X ) 2 也可以用入射和出射路程上的平均能
量 ,即 Ei n =
(c) 背散射几何关系
1 1 ( E0 + E) 和 Eout = ( E1 + KE) 时的 2 2 ( d E/ d X ) 值作为近似来计算 。进一步近似 , 可把
Ei n和 Eout 写成 Ei n = E0 -
RU THERFORD BAC KSCA T TERIN G ANAL YSIS
ZHAO Guo2qing
( Institute of Modern Physics , Fudan University , Shanghai 200433 , China)
Abstract : The essential principle of Rut herford backscattering analysis is explained briefly. The optimization con2
Keywords : Rut herford backscattering ; Surface layer analysis ; Thin film analysis
卢瑟福背散射分析是固体表面层和薄膜的简 便、 定量 、 可靠 、 非破坏性分析方法 ,是诸多的离子束 分析技术中应用最为广泛的一种微分析技术 。从
收稿日期 :2000210225
( a) 离子与靶原子的弹性碰撞
( b) 背散射谱仪系统
・41 ・
赵国庆 : 卢瑟福背散射分析
ΔE = [
K dE ( ) θ cos 1 dX
E0
+
1 dE ( ) θ cos 2 dX
KE0
] t = [ S0 ] t ( 5)
百度文库
式中 [ S 0 ] 称为背散射能量损失因子 。这样 , RBS 谱 上能量与深度之间具有线性关系 。 ( d E/ d X ) 1 和
・42 ・
赵国庆 : 卢瑟福背散射分析
E1 。根据式 ( 4) 和式 ( 5 ) , 由能量宽度 Δ E 可求得样
品厚度 。根据式 ( 5 ) 和式 ( 7 ) , 能谱上对应于从样品 深度 t 处一薄层散射的产额 ( 谱高度 ) H ( E1 ) 可写 成 δ( KE) ( 8) H ( E1 ) = Q σ( E) ΩN ( ) 而
由式 ( 5) 得到深度分辨率为 Δ ED Δt =
[S]
( 12)
2 卢瑟福背散射分析实验设备 、 样品和最佳
实验条件选择
2. 1 实验设备
卢瑟福背散射分析的实验设备由小型粒子加速 器、 真空靶室和粒子探测器及电子学线路组成 。单 级或串列静电加速器提供 MeV 能量的4 He 离子或 质子束 , 束斑直径 <1mm 左右 , 流强几十至几十纳 安 。靶室真空度为 10 - 4 ～ 10 - 5 Pa , 靶室中安装样 品、 样品平动及转动装置和金硅面垒型半导体探测 器 。将探测到的背散射粒子信号经前置放大器和主 放大器送到微机多道脉冲分析器记录粒子能谱 。实 验时同时用束流积分仪记录入射到样品上的束流 ( 入射离子数) 。 2. 2 样品 背散射分析的样品一般都是表面平整 、 光洁的 半导体和金属等薄膜或固体样品 。对陶瓷等绝缘材 料 ,为防止表面电荷堆积 ,应在其表面蒸镀几个至几 十纳米的导电层 ( 如 Al 膜 ) 。有机膜材料受束流轰 击后易损坏 ,分析时应尽量使用很小的束流强度做 实验 。因分析束斑较小 , 故样品大小只需 5mm × 10mm 左右就可以了 。样品 ( 包括衬底) 的厚度一般 在 0. 5 ～ 2mm 之间 , 常规的背散射分析 , 可分析的 样品深度为几百纳米至 1 微米之间 。样品架上一次
dition of experiments , mass resolution and t he sensitivity of backscattering analysis are discussed. Some applications of Rut herford backscattering analysis to t he study on t he surface layer of materials and on t hin films are given.
( d K/ d M 2 )
- 1
,如果 Δ E1 等于探测器系统的能量分
( M 1 + M 2 ) 3 Δ ED 4 M 1 ( M 2 - M 1 ) E0 M 2 Δ ED 4 M 1 E0
2
辨率 Δ ED ,且 θ= 180° ,于是 ΔM 2 =
( 10) ( 11)
当 M 2 µ 1 时 ΔM 2 =
领 ,它是离子能量的函数 。在 t 深度处 , 能量为 E 的离子与靶原子发生背散射后 , 其能量为 KE 。这 些背散射离子贯穿样品时 , 同样要经受能量损失 。 在 θ方向穿出样品表面时的能量 E1 为
E1 = KE -
∫
0
θ t/ cos 2
(
dE ) dx dX 2
( 3)
式中 ( d E/ d X ) 2 为出射离子在靶物质中的阻止本 领 。因此 ,探测器所测到的从样品表面发生背散射 的离子能量 KE0 和从 t 深度处发生背散射的离子 能量 E1 之间的差异Δ E = KE0 - E1 。 ΔE = K
1 基本原理
卢瑟福背散射分析的原理很简单 。一束 MeV 能量的离子 ( 通常用4 He 离子 ) 入射到靶样品上 , 与 靶原子 ( 原子核) 发生弹性碰撞 ( 见图 1a) ,其中有部 分离子从背向散射出来 。用半导体探测器测量这些 背散射离子的能量 ,就可确定靶原子的质量 ,以及发 生碰撞的靶原子在样品中所处的深度位置 ; 从散射