薄膜的成分分析

Auger电子谱
Auger电子的产额
⎯Auger电子发射概率： (
发射几率
0.60 0.40 0.20 0.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40
原子序数 Z
Px n ) = A + BZ + CZ 3 1 − Px
• Z为原子序数， n=1/4，A= -6.4×10-2，B=3.4×10-2，C＝-1.03×10-6
3 651× 10−14 aW KW 1 U − 1 2 . 2 1 σW = ( )( ) [1+ (1− )ln(27 + U − 1)] . EW U U +1 3 2U
• EW是W能级电子的电离能，U=Ep/EW，Ep是入射电子束的 能量，aW是常数，KW为壳层的电子数。
1.00 Px 0.80 Pa
Ejected core electron Energy source Transfer of excess energy Outer electron fills core level hole Auger electron emitted
Auger电子谱
Auger电子的标记方法
4f5/2 4f5/2 4d5/2 4d3/2 4p3/2 4p1/2 4s1/2
Auger电子谱
Auger电子谱仪的组成
⎯ 真空室：系统的真空度一般优于6.7×10-8Pa。 – 其它附属部件：
• 离子枪：主要用于样品的清洗和样品表层成分的深度剖层分析。一 般用Ar作为剖离离子，能量在1‾5 keV。 • 预处理室：对样品表面进行预处理。一般可完成清洗、断裂、镀膜、 退火等一系列预处理工作。 • SAM功能：可以对样品表面进行二维AES成像； • 样品加热、冷却功能： • EDX等辅助功能。
Auger电子谱
Auger电子能量
⎯Auger电子能量半经验公式 ⎯Auger电子能量半经验公式的修正
• EWXY(Z) = EW(Z) −EX(Z) −EY(Z) −φA • EW(Z), EX(Z), EY(Z)是各壳中电子的结合能，φA 是脱出功；
• Y能级电子克服的是离化原子的该能级的结合能 • EY(Z) = EY(Z+∆)， ∆的确切值介于1/2∼3/4之间 • EY(Z) = EY(Z) +β [EY(Z+1) − EY(Z)] • 因为EWXY(Z) = EWYX(Z)，所以，
薄膜成分分析概述
成分分析仪器简介
探测粒子 e e e e e e e e e 发射粒子 e e e 分析方法名称 俄歇电子能谱 扫描俄歇探针 电离损失谱 能量弥散x射线谱 俄歇电子出现电势谱 软x射线出现电势谱 消隐电势谱 电子能量损失谱 电子诱导脱附 简称 AES SAM ILS EDXS AEAPS SXAPS DAPS EELS ESD 成分 微区成分 成分 成分 成分 成分 成分 原子及电子态 吸附原子态及成分 主要用途
Auger电子谱
元素识别
⎯ 纯元素谱：主峰及特征峰。 ⎯ 化学环境的影响：化学位移； ⎯ 能量损失峰：改变激发电子 束的能量，根据峰移动与否 判断是否为Auger电子峰。 ⎯ Auger电子峰重叠问题 Al的标准AES谱
Al2O3的标准AES谱
Auger电子谱
Auger电子谱的定量分析
⎯ 定量分析的理论基础： Ci =
Auger电子谱
Auger电子谱的测量
Fe经轻微氧化的EN(E)~E和N(E)~E谱 ⎯ 直接谱：根据设置方式不同，有EN(E)~E和 N(E)~E两种形式。 ⎯ 微分谱：可以提高Auger信号的信背比。
Fe经轻微氧化的d[EN(E)]/dE谱和dN(E)/dE谱
Auger电子谱
元素识别
⎯ 基本方法：将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。 ⎯ 初步判断：各种原子不 同系列的Auger峰位置； ⎯ 细致辨别：利用《Auger 电子谱手册》中各元素 标准谱图、部分元素的 氧化物及其它化合物的 标准谱进行对比判断；
3d5/2 3d3/2 3p3/2 3p1/2 3s1/2 2p3/2 2p1/2 2s1/2 1s1/2 ⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯ •⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ M5 M4 M3 M2 M1 L3 L2 L1 K
• Ip为入射束流，α为入射角， ni是原子密度，θ是发射的Auger 电子
与样品法向夹角。
• 粗糙度(R)和传输率(T)的影响：
IA＝RT IpniσWPWXYsecα(1+r)λcosθ
Auger电子谱
Auger电子谱仪的组成
⎯ 电子枪：用于激发Auger电子，加速电压一般在5 keV以上，束 斑直径，决定着SAM的空间分辨率。 – 电子能量分析器：分析电子能量的装置； • 两种常用的能量分析器：筒镜型能量分析器(CMA)和半球性 能量分析器(SDA) 。
1 + ri = 1 + ri
Ti ,WXY = T
std
λ i ,WXY = λstd i ,WXY
std i ,WXY
Ri ,WXY = Ristd ,WXY
Auger电子谱
Auger电子谱的定量分析
⎯ 基体效应修正： n
i std i
n
=
I i ,WXY I istd ,WXY
λstd 1 + ri i ,WXY × × 1 + ri λ i ,WXY
EWXY(Z) = EW (Z)−0.5×[EX(Z+1)+EX(Z)] −0.5×[EY(Z+1)+EY(Z)] −φA
Auger电子谱
Auger电子的产额
⎯电离截面：产生空穴的能力
σW
6.51 × 10 −14 aW KW 1 4U [ ln ] = . EW U 165 + 2.35 exp(1 − U )
Ejected core level electron
Auger electron emission
Auger电子谱
Auger过程
EV
Incident Beam Core level s
EV
Electron fills core level hole
⎯ 1925年P.Auger已经在Welson云室内观察到Auger电子径迹， 并正确地解释了这种电子的来源。 Biblioteka Baidu 直到六十年代中期，随着金属的超高真空系统和高效的微弱 信号电子检测系统的发展，才出现了可以用于表面分析的实 用Auger电子能谱仪。
Auger电子谱
Excitation source Signal Detector
Auger电子的产额
⎯Auger电子的电流强度：
∞
Event Sample
Energy Selector
z I A = ∫ I p niσ W PWXY exp[ − ] sec α (1 + r )dz 0 λ cos θ = I p niσ W PWXY sec α (1 + r )λ cos θ
-V2
-V
-V1 Electron Path Electr on Electron OpticsMulti plier From Excitation Source
Sample Electron Selected Energy Electron Gun Auger Electrons Multiplier
⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯— ⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯ ⎯⎯⎯⎯⎯⎯•⎯•⎯⎯⎯⎯⎯⎯
N7 N6 N5 N4 N3 N2 N1
⎯ 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。
薄膜成分分析概述
成分分析的基本原理
⎯ 利用激发源——如电子束、 离子束、光子束、中性粒子束等，有时 还加上电场、磁场、热等的辅助，使被测样品发射携带元素成分信 息的粒子，实现化学组成、状态等方面的分析。
Excitation source
Signal Detector Energy Selector
Event Sample
(a) KL1L3 Auger 跃迁 (b) Kα1 辐射跃迁
Auger电子谱
Auger电子的产额
⎯Auger电子的平均自由程：
• 电子经受非弹性散射的平均距离。 • 由于Auger电子是以能量作为元素识别的依据，所以平均自 由程决定着Auger电子谱成分分析的深度；
• 平均自由程的定义：
dN = −
1
• 平均自由程的经验公式：
λ=
– a，b是取决于材料的常数 – 平均自由程的最小值约为几个nm，对应的电子能量约为50 eV。
E a (ln E + b)
λ
Ndz ⇒ N = N 0 e
−
z
λ
Auger电子谱
Auger电子的产额
⎯背散射效应：
• 初级电子经过初次散射后，仍具有产生Auger电子的能力， 使Auger产额增加到1+r倍，成为“背散射效应”，r称为“背散 射增强因子” 。
微区成分 成分 成分 成分、结构 成分、结构 最表层电子态 原子及电子态
γ
薄膜成分分析概述
成分分析仪器简介
探测粒子 发射粒子 分析方法名称 简称 主要用途
γ γ γ γ γ γ γ γ
e e e
x射线光电子谱 紫外线光电子谱 同步辐射光电子谱 红外吸收谱 拉曼散射谱 扩展x射线吸收谱精细结构 角分辨光电子谱 光子诱导脱附谱
XPS UPS SRPES IR RAMAN SEXAFS ARPES PSD
成分、化合态 分子及固体电子态 成分、原子及电子态 原子态 原子态 结构 原子及电子态结构 原子态
γ γ γ γ
I
薄膜成分分析概述
成分分析仪器简介
部分表面分析设备的分析范围
薄膜成分分析概述
成分分析仪器简介
XPS 测氢 元素灵敏度均匀性 最小可检测灵敏度 定量分析 化学态判断 谱峰分辨率 识谱难易 表面探测深度 空间分辨率 无损检测 理论数据完整性 No Good 10-2-10-3 Good Good Good Good MLs Bad Yes Good AES No Good 10-2-10-3 Yes Yes Good Good MLs Good Yes Yes ILS No Bad 10-9 Bad Yes Good Good MLs Good Yes Bad ISS No Good 10-2-10-3 Bad Bad Bad ML Bad No Yes RBS No Good 10-2-10-3 Good Bad Bad ML-µm Bad Yes Good SIMS Yes Bad 10-4-10-5 Bad Bad Good ML- MLs Good Yes Bad
std
IA nA 1 + rm ( E A ) λ m ( E A ) × × s s 1 + ri ( E A ) λ A ( E A ) IA n = A IB nB 1 + rm ( E B ) λ m ( E B ) × × s s IB nB 1 + ri ( E B ) λ A ( E B )
– 背散射因子：
α = 0： r = (2.34−2.10Z0.14)U-0.35+(2.58Z0.14 −2.98) α = 30： r = (.462−.777Z0.20)U-0.32+(1.15Z0.20 −1.05) α = 45： r = (1.21−1.39Z0.13)U-0.33+(1.94Z0.13−1.88)
γ
e
γ
e e I
薄膜成分分析概述
成分分析仪器简介
探测粒子 发射粒子 分析方法名称 简称 主要用途
I I I I I I I
I I n I I e
离子探针质量分析 静态次级离子质谱 次级中性离子质谱 离子散射谱 卢瑟福背散射谱 离子中和谱 离子激发x射线谱
IMMA SSIMS SNMS ISS RBS INS IEXS
I i ,WXY = (1 + r ) I p Rni σ i ,W Pi ,WXY λ i ,WXY Ti ,WXY sec α cosθ
– 标准样品法：在相同的测试条件下，测出试样中i元素及i标样的 强度，在假设电离截面和平均自由程等参数不变的前提下，有
∑n
j
ni
j
I i ,WXY ni = std std ni I i ,WXY