МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Новосибирский государственный технический университет»

Общие принципы оже-спектрометрии

Авторы:

Андреев А. П.

Балашов А. А.

Дондоков Э. Ю.

Распопов Д. В.

Распопова Д. В.

Тюлькин Д. С.

Новосибирск 2008

Содержание

Стр.

Введение 2

1 Модель формирования оже-электронов 3

2 Устройство и принцип действия оже-спектрометра 8

3 Получение оже-спектра 16

4 Устройство и работа оже-спектрометра в режиме получения оже-спектра 20

5 Вакуумная система оже-спектрометра 22

Введение

Электронный оже-спектрометр предназначен для исследования химического (элементарного) состава приповерхностных областей твердых тел с применением метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС) и обработки поверхности исследуемого образца.

Электронный оже-спектрометр можно применять на входном и межоперационном контроле, что способствует созданию научно-обоснованной технологии формирования поверхностей твердых тел, пле­ночных сложных композиций и структур интегральных схем. Он мо­жет успешно использоваться непосредственно в составе технологи­ческого оборудования для производства ряда важнейших классов изделий электронной техники. Оже-спектрометр дает возможность идентифицировать элементный химический состав поверхности, изу­чать виды связи химических элементов на поверхности, изучать зонную структуру твердого тела. Благодаря использованию энергоанализатора типа «цилиндрическое зеркало» он позволяет ис­следовать динамику химического состояния при быстропротекаю­щих процессах на поверхности.

1 Модель формирования оже-электронов

Как упоминалось ранее, оже-спектроскопия является одним из наиболее перспективных методов анализа поверхности. Она позволяет изучать физические и химические свойства поверхности, осуществлять входной и выходной контроль полупроводниковых материалов, оценивать степень чистоты обработанных поверхностей.

В электронной оже-спектроскопии (ЭОС) измеряются энергия и количество оже-электронов, эмитируемых поверхностью мишени в результате электронной бомбардировки. Оже-эффект связан с ионизацией атома в результате соударения первичного электрона и электрона одной из внутренних оболочек атома (K, L, M), на которой за счет соударения возникает вакансия. За время порядка 10^-14 — 10^-16 с. происходит переход атома с вышележащих энергетических уровней на образовавшееся вакантное место. Выделившаяся в результате такого перехода энергия может перейти либо в энергию γ-кванта (радиационный переход), либо перейти к электрону одной из внешних оболочек атома, который покидает атом и регистрируется как оже-электрон. Так как вероятность радиационного перехода растет с ростом атомного номера, как функция Zⁿ, то вероятность выхода оже-электронов уменьшается. Для легких элементов она составляет 95%, а для элементов с Z ≥ 70 не превышает 10 %.

Энергетическая схема образования оже-электрона (е₂₀) показана на рисунке 1.1. Возникающая под воздействием внешнего электрона (е₁) в результате вылета электрона (е₂) вакансия на К-уровне, заполняется электроном с L-уровня, а в вакуум выходит электрон (е₂₀) с М-уровня. Для обозначения таких процессов с участием 3-х электронов используются символы уровней. Вначале указывается уровень, ионизированный первичным электроном, затем уровень перехода электрона на вакансию, а последним — уровень выхода оже-электрона.

Рисунок 1.1 – Энергетическая схема образования оже-электрона

Для элементов 3 ≤ Z ≤ 14 наиболее характерны переходы «KLL», для элементов 14 ≤ Z ≤ 40 переходы «LММ», для элементов 40 ≤ Z ≤ 79 переходы «МNN».

Оже-электроны выходят всего из нескольких поверхностных атомных слоев, из глубинных слоев вероятность их выхода мала вследствие потерь энергии при межэлектронных взаимодействиях.

Температура чистых мишеней не влияет на выход оже-электронов.

На фоне неупругоотраженных электронов, оже-электроны создают небольшие пики с энергией соответствующих оже-переходов. Однако амплитуды этих пиков малы и недостаточны для точных измерений параметров поверхности. Поэтому на практике оже-пики регистрируются с помощью дифференциальных кривых энергораспределения ( ).

Чтобы отличить оже-пики на кривой распределения от пиков, соответствующих характеристическим потерям энергии первичных электронов, необходимо изменить энергию первичных электронов. В этом случае положение оже-пиков не меняется, а другие пики перемещаются по энергетической шкале вместе с пиком упругоотраженных электронов.

Ширина измеряемых оже-пиков в основном определяется естественной шириной линии перехода, связанной с малым временем жизни вакансии. Уширение линии равно ΔЕ ~ ħ/τ ≈ 1–3 эВ. Степень монохроматичности пучка первичных электронов в этом случае роли не играет. На ширину оже-пиков влияет ширина энергетических уровней и зон, участвующих в переходах, а также разрешающая способность используемого энергоанализатора.

Спектры возбуждают с помощью сфокусированного электронного пучка, диаметр которого составляет ~ 0,1 ÷ 10 мкм и практически определяет локальность анализа в плоскости объекта. Локальность по глубине определяется средней глубиной выхода оже-электронов и составляет от 0,3 мкм до 3 мкм.

Дифференцирование по энергиям чаще всего осуществляется с помощью периодической модуляции напряжения развертки энергоанализатора.

Под воздействием электронного возбуждения поверхность твердого тела может изменять свой элементный состав. Неизменным состав можно считать лишь в пределах допустимой дозы облучения данного вещества. Кроме того, у твердых тел с пониженной проводимостью на поверхности может накапливаться электрический заряд, затрудняющий регистрацию спектра. Степень электрической зарядки зависит от условий эксперимента и свойств исследуемого объекта.

Если при помощи ионного распыления удалять слои исследуемого объекта, то можно осуществлять послойный анализ поверхности, разрешение по глубине при этом составляет 3 – 5% от толщины удаленного слоя. Обычно толщина удаленных слоев не превышает 1 – 2 мкм. Удаление более глубоких слоев обычно приводит к резкому ухудшению разрешения по глубине, вследствие развития микрорельефа в области падения ионного пучка на поверхность исследуемого объекта.

При разворачивании первичного электронного пучка в прямоугольный растр и при фиксированной энергии настройки анализатора на оже-линию некоторого химического элемента, получают изображение распределения этого элемента на поверхности в пределах площади растра.

При совместном использовании послойного анализа и растровой развертки пучка, в месте ионного распыления можно получить информацию о трехмерном распределении химических элементов в твердом теле.

Сейчас основными областями применения оже-спектроскопии считаются:

• исследования на стадии разработки и создания новых материалов и технологий, нового технологического оборудования;

• контроль в серийной технологии (периодический контроль на отдельных технологических операциях);

• анализ операционного брака;

• анализ отказов готовых изделий в процессе испытаний или эксплуатации.