表面分析(四)俄歇电子能谱的应用

深度分析
如图所示Ni-Cu合金在离子溅射 60
过程中的浓度变化。从图上可见，
Concentrion of Ni％ckel /
在样品的表面，Ni的表面原子浓
度为42%。随着溅射时间的增加，
Ni的原子浓度逐渐增加并达到一 40
42 ％
个稳定值。在实际的俄歇深度分
析中，如果采用较短的溅射时间
以及较高的溅射速率，“择优溅
微区分析
Si
ACP /％
Nຫໍສະໝຸດ Baidu
O
0
2
4
6
8
10
Sputtering Time / min
图19 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇深度分析
线扫描分析
在研究工作中，不仅需要了解元素在不同 位置的存在状况，有时还需要了解一些元 素沿某一方向的分布情况，俄歇线扫描分 析能很好地解决这一问题，线扫描分析可 以在微观和宏观的范围内进行（1～6000 微米）。俄歇电子能谱的线扫描分析常应 用于表面扩散研究，界面分析研究等方面。
微区分析
图17为Si3N4薄膜经
d N (E )/d E / a .u .
850℃快速热退火处理后表
Normal
面不同点的俄歇定性分析
图[14]。从表面定性分析
图上可见， 在正常样品区，
表面主要有Si, N以及C和O
Si
N
Abnormal
元素存在。而在损伤点，
C
O
表面的C,O含量很高，而Si, 0 200 400 600 800 1000
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。
微区分析
选点分析 俄歇电子能谱由于采用电子束作为激发源，其束斑面积可 以聚焦到非常小。从理论上，俄歇电子能谱选点分析的空 间分别率可以达到束斑面积大小。因此，利用俄歇电子能 谱可以在很微小的区域内进行选点分析，当然也可以在一 个大面积的宏观空间范围内进行选点分析。微区范围内的 选点分析可以通过计算机控制电子束的扫描，在样品表面 的吸收电流像或二次电流像图上锁定待分析点。对于在大 范围内的选点分析，一般采取移动样品的方法，使待分析 区和电子束重叠。这种方法的优点是可以在很大的空间范 围内对样品点进行分析，选点范围取决于样品架的可移动 程度。利用计算机软件选点，可以同时对多点进行表面定 性分析，表面成分分析，化学价态分析和深度分析。这是 一种非常有效的微探针分析方法。
线扫描分析
Ag-Au合金超薄膜在Si(111)面单晶硅上的电迁 移后的样品表面的Ag和Au元素的线扫描分布见图 20。横坐标为线扫描宽度，纵坐标为元素的信号 强度。从图上可见，虽然Ag和Au元素的分布结构 大致相同，但可见Au已向左端进行了较大规模的 扩散。这表明Ag和Au在电场作用下的扩散过程是 不一样的。此外，其扩散是单向性，取决于电场 的方向。由于俄歇电子能谱的表面灵敏度很高， 线扫描是研究表面扩散的有效手段。同时对于膜 层较厚的多层膜，也可以通过对截面的线扫描获 得各层间的扩散情况。
N元素的含量却比较低。
Kinetic Energy / eV
这结果说明在损伤区发生 图17 Si3N4薄膜表面损伤点的俄歇定性分析谱 了Si3N4薄膜的分解。
微区分析
图18 和19分别是正常区
与损伤点的俄歇深度分析
图。从图上可见，在正常 区，Si3N4薄膜的组成是
Si
非常均匀的，N/Si原子比
ACP /％
为0.53。而在损伤区，虽 然Si3N4薄膜的组成也是
N
非常均匀的，但其N/Si原
子比下降到0.06。N元素
大量损失，该结果表明
O
Si3N4薄膜在热处理过程
0
2
4
6
8
10
中，在某些区域发生了氮
Sputtering Time / min
化硅的脱氮分解反应，并
在样品表面形成结碳。 图18 Si3N4薄膜表面正常点的俄歇深度分析
深度分析
离子的溅射过程非常复杂，不仅会改变样 品表面的成分和形貌，有时还会引起元素 化学价态的变化。此外，溅射产生的表面 粗糙也会大大降低深度剖析的深度分辨率。 一般随着溅射时间的增加，表面粗糙度也 随之增加，使得界面变宽。目前解决该问 题的方法是采用旋转样品的方法，以增加 离子束的均匀性。
深度分析
深度分析
其分析原理是先用Ar离子把表面一定厚度的表面 层溅射掉，然后再用AES分析剥离后的表面元素 含量，这样就可以获得元素在样品中沿深度方向 的分布。由于俄歇电子能谱的采样深度较浅，因 此俄歇电子能谱的深度分析比XPS的深度分析具 有更好的深度分辨率。由于离子束与样品表面的 作用时间较长时，样品表面会产生各种效应。为 了获得较好的深度分析结果，应当选用交替式溅 射方式，并尽可能地降低每次溅射间隔的时间。 此外，为了避免离子束溅射的坑效应，离子束/电 子束的直径比应大于100倍以上，这样离子束的 溅射坑效应基本可以不予考虑。
射”效应可以大大降低。
20 0
10
20
Sputtering Time / min
Ni-Cu合金的择优溅射效应
深度分析
原子摩尔百分数浓度
图是PZT/Si薄膜界面反应后 的典型的俄歇深度分析图。
横坐标为溅射时间，与溅射
深度有对应关系。纵坐标为
元素的原子百分比。从图上
可以清晰地看到各元素在薄
膜中的分布情况。在经过界 面反应后，在PZT薄膜与硅 基底间形成了稳定的SiO2界 面层。这界面层是通过从样
表面分析 俄歇电子能谱的应用
2003.12.23
俄歇电子能谱的信息
元素沿深度方向的分布分析
AES的深度分析功能是俄歇电子能谱最有 用的分析功能。一般采用Ar离子束进行样 品表面剥离的深度分析方法。该方法是一 种破坏性分析方法，会引起表面晶格的损 伤，择优溅射和表面原子混合等现象。但 当其剥离速度很快时和剥离时间较短时， 以上效应就不太明显，一般可以不用考虑。
离子束与固体表面发生相互作用，从而引起表面 粒子的发射，即离子溅射。对于常规的俄歇深度 剖析，一般采用能量为500 eV到5keV的离子束 作为溅射源。溅射产额与离子束的能量、种类、 入射方向、被溅射固体材料的性质以及元素种类 有关。多组分材料由于其中各元素的溅射产额不 同，使得溅射产率高的元素被大量溅射掉，而溅 射产率低的元素在表面富集，使得测量的成分变 化，该现象就称为“择优溅射”。在一些情况下， 择优溅射的影响很大。
品表面扩散进的氧与从基底 上扩散出的硅反应而形成的
100
Si
80
S iO 2 界 面 层
60 O
O
40
Si 20 PZT
O 0 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 4
溅 射 时 间 / m in
PZT/Si薄膜界面反应后的俄歇深度分析谱
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，可以分为选点分析，线扫描分析 和面扫描分析三个方面。