Диссертация (Изучение электронного и атомного строения нанослоев Al2O3 при контакте с TiN и диэлектриков на основе SiO2), страница 7

Эту энергию называют работой выхода (φ s).Следовательно, уравнение (1.20) требует внесения поправки:Ekin  h  EB  s(1.27)Также ряд поправок к уравнению (1.20) возникает вследствие учета рядаэкспериментальных факторов. При проведении измерений РФЭС образецнаходится в электрическом контакте со спектрометром. Если контактируютдвапроводника спроводникамиразличнымипроисходитзначениямиобменработыэлектронамивыхода,[102].междуЭлектроныпроводимости проводника с более высоким уровнем Ферми (малая работавыхода) перетекают на проводник с более низким уровнем Ферми (большаяработавыхода).Процессобменаэлектронамимеждуобразцомиспектрометром продолжается до тех пор, пока уровни Ферми невыровняются.Врезультатемеждуобразцомиспектрометромустанавливается контактная разность потенциалов, которая увеличивает илиуменьшает измеряемую величину Ekin фотоэлектронов образца.

Инымисловами, уровни вакуума различны для образца и спектрометра. Переходя отповерхности образца в спектрометр, фотоэлектрон “чувствует” потенциал,равный разности между работами выхода образца и спектрометра (φ s - φspec).При учете этой поправки уравнение фотоэффекта примет следующий вид:41Ekin  h  EB  spec(1.28)то есть знание как таковой работы выхода образца φs не требуется дляопределения энергий связи начальных уровней.Поверхность образцов, не обладающих хорошей проводимостью, можетзаряжаться при испускании электронов.

Это приводит к сдвигу эффективногоуровня Ферми образца относительно уровня Ферми спектрометра. Уравнениедля (1.28) с учетом возможной зарядки образца будет иметь вид:Ekin  h  EB  spec  qгдеφq–поправка,учитывающая(1.29)возможностьзарядкиобразца.Положительный электрический заряд, накапливаемый на образце вследствиевылета электронов, может приводить к поправке φq величиной в несколькоэлектрон-вольт. Подзарядку образца можно учесть, измерив энергию связиC1sуровняуглеродногозагрязнения(284,6эВ),почтивсегдаприсутствующего на поверхности образца. Также можно компенсироватьподзарядкуспомощьюсистемыкомпенсации(пушка,совместноиспускающая электроны и ионы аргона).Конкретное значение энергии связи электрона в атоме зависит от егохимического состояния.

Энергия электрона на внутренней оболочкеопределяется кулоновским и обменным взаимодействием с другимиэлектронами и потенциалом ядра. Любое изменение в окружении атомабудет влиять на пространственное распределение заряда валентныхэлектронов данного атома, и вызывать изменение потенциала, заметное длявнутреннего электрона. Перераспределение заряда влияет на потенциалвнутренних электронов и приводит к изменению эх энергии связи (ΔE B) –химическому сдвигу.Глубина формирования фотоэлектронных спектровВажным моментом в применении метода РФЭС является оценкаглубины,скоторойполучаетсяинформация.Обычносглубиной42формирования спектров ассоциируют длину свободного пробега электрона вданном веществе λi.

В работе [103] была выведена формула «TPP-2M»,позволяющая оценить длину свободного пробега фотоэлектронов для любоговещества на основе простых параметров материала:i EE [  ln E   (C / E )  ( D* / E 2 )]2p(Å)(1.30)  0.10  0.944( E p2  Eg2 )1 / 2  0.069 0.1  0.191 1 / 2C  1.97  0.91UD*  53.4  20.8UU  Nv  / A  E p2 / 829.4где E – кинетическая энергия фотоэлектрона (эВ), ρ - плотность вещества(г/см3), Ep - энергия плазмона (эВ), Nv - число валентных электронов в каждоймолекуле, A - молекулярный вес, Eg - ширина запрещенной зоны (эВ).Рекомендованные значения для Nν можно найти в работе [104].

Значения Egможно найти в [105] или оценить, основываясь на значениях для сходныхматериалов, т.к. в работе [106] было показано, что значение λi, получаемое поформуле (1.30), слабо зависит от параметра Eg.Очевидно, что величина свободного пробега дает среднее расстояние,которое преодолевает фотоэлектрон в веществе, эффективная глубинавыхода и максимальная глубина, с которой может вылететь электрон, будутпревосходить значение λi.

Для их оценки рассмотрим систему однороднаяпленка толщиной d на толстой подложке. Если пренебречь эффектамиупругого рассеяния, то интенсивность фотоэлектронного спектра для такойсистемы может быть определена по формуле:I  I 0edi cos(1.31)где I0 - интенсивность сигнала от чистой подложки, θ - угол эмиссииэлектронов с поверхности (относительно нормали к поверхности), λi - длина43свободного пробега в веществе пленки для фотоэлектронов, вышедших изподложки. Из представленной формулы видно, что на глубине равной длинесвободного пробега происходит ослабление сигнала до уровня 36%.Соответственно глубину сбора информации можно определить как 3 λi cosθ,соответствующую формированию 95% сигнала в слое с данной толщиной.Также отметим, что выбор угла эмиссии оказывает достаточносущественное влияние на глубину, с которой регистрируется сигнал.Согласно (1.31), меняя угол θ в пределах 0º – 60º можно изменять глубинузондирования в два раза.Опираясь на рассчитанные значения λi и рассуждения, проведенные дляоценки глубины зондирования, можно утверждать, что используя данныйметод, возможно проводить послойный анализ тонких пленок в достаточношироком диапазоне глубин.

Отметим, что при таких больших кинетическихэнергияхэлектронов(единицыкэВ)можнопренебрегатьвлияниемпространственной анизотропии волнового вектора k, и, следовательно,изменения в форме получаемых спектров при изменении угла отбораэлектронов будут связаны только с изменением химического составаисследуемого вещества по глубине.44Глава 2. Техника и методика экспериментаВсе результаты, представленные в работе, были получены в центресинхротронного изучения BESSY II (Берлин, Германия) на каналах выводасинхротронного излучения: Российско-Германском, KMC-1, UE56/2_PGM-2и Оптическом.2.1 Российско-Германский канал вывода синхротронного излучения,экспериментальная станция RGL-PESИзмерения рентгеновских спектров поглощения в режиме полногоквантового выхода и рентгеновских фотоэлектронных спектров с энергиейвозбуждения в диапазоне 120-700 эВ проводились на экспериментальнойстанции RGL-PES, установленной на Российско-Германском канале выводасинхротронного излучения, сконструированном на дипольном поворотноммагните.Конструкция и основные характеристики Российско-ГерманскогоканалаСхематическое устройство канала представлено на рис.

2.1 Описаниеканала можно найти в [107].Основныеэлементыканала–этотороидальноезеркалоМ1;монохроматор, состоящий из плоского зеркала М2 и плоской дифракционнойрешетки G; далее следуют цилиндрическое зеркало М3, выходная щель ипоследнее тороидальное зеркало М4. Отражающие поверхности всехоптических элементов кроме зеркала М2 и дифракционной решетки имеютплатиновое покрытие. Зеркало М2 и дифракционная решетка покрытызолотом.45Рис. 2.1 Схематический вид Российско-Германского канала.Дипольный поворотный магнит осуществляет отклонение орбитыэлектронов в накопительном кольце, в результате чего в канал выводаизлучения (beamline) направляется узкий расходящийся пучок излучения соспектральным распределением от нескольких эВ до единиц кэВ смаксимумом интенсивности в области мягкого рентгеновского излучения.Угловая расходимость пучка 3 × 1.5 мрад (горизонталь × вертикаль). Первыйоптическийэлемент,тороидальноезеркалоМ 1,расположенноеввертикальной плоскости, горизонтально фокусирует пучок на выходнующель, а также выполняет вертикальную коллимацию пучка.

Угол падения назеркало М1 равен 3°. Далее параллельный по вертикали пучок попадает нагоризонтально расположенное плоское зеркало монохроматора М 2, и с егопомощью отклоняется на плоскую дифракционную решетку и вертикальнодиспергируется.Основное назначение монохроматора – это выделение спектральночистогоизлученияопределеннойдлиныволнысдостаточнойинтенсивностью и поддержание достаточного энергетического разрешения вширокой области спектра. Сканирование по спектру осуществляется за счет46согласованного изменения угла скользящего падения на решетку α и угладифракции β (при сохранении соотношения Cff = sin(β)/sin(α)) путемодновременного вращения дифракционной решетки G и зеркала М2 вокругпараллельных осей, причем плоскость решетки всегда остается параллельнойплоскости зеркала. Краткое наименование такой конструкции монохроматораPGM (Plane Grating Monochromator).

В данной работе использовалась плоскаядифракционнаярешеткасплотностьюштрихов1200мм-1.Прииспользовавшейся ширине выходной щели 100 мкм энергетическоеразрешение E/ΔE было не хуже, чем 3500.Далееизлучениефокусируетсяповертикалиспомощьюцилиндрического зеркала М3 на выходную щель (угол падения на зеркало М3равен 3°), проходя которую излучение попадает на последнее тороидальноезеркало M4 (угол падения 2°), которое дофокусирует излучение на образец.Поперечные размеры пучка в измерительной камере составляют около0,3×0,1 мм (горизонталь × вертикаль) при ширине выходной щели 100 мкм.Экспериментальная станция RGL-PESСтанция RGL-PES предназначена для измерения фотоэлектронныхспектров и спектров поглощения в диапазоне энергий фотонов от 30 эВ до1500 эВ. Cтанция состоит из аналитической камеры, двух препарационыхкамер для подготовки образцов и системы быстрой загрузки образцов (loadlock).Система загрузки образцов имеет магазин, вмещающий до 8 образцов иотдельную систему откачки, которая позволяет производить откачку камерызагрузки с атмосферного давления до вакуума 10-6 мБар за 10 минут.Перемещениеобразцовизмагазинакамерызагрузкивдержательаналитической камеры осуществляется при помощи манипулятора стандартаOmicron.Препарационные камеры позволяют непосредственно перед измерениемпроводить подготовку образцов.

В частности поверхность образцов ам-Al2O347и γ-Al2O3 (пункт 3.2) очищалась от загрязнения при помощи травленияионами Ar+ под углом 30° (от поверхности) при энергии 1 кэВ в течение 10минут.Аналитическая камера оборудована держателем образцов VG Scienta,модернизированным под тип держателей Omicron, имеющий 4 степенисвободы (поступательное перемещение вдоль осей x,y,z и изменениеполярного угла). Движение осуществляется с помощью шаговых двигателей.Давление в аналитической камере при проведении эксперимента былопорядка 5*10-9мБар.Станция RGL-PES оборудована полусферическим энергоанализаторомSPECS Phoibos 150 со средним радиусом 150 мм, с помощью которогоизмерялисьрентгеновскиефотоэлектронныеспектры.Описаниеэнергоанализатора можно найти в [108].

Анализатор установлен под углом54,7° к направлению падающего излучения. Все фотоэлектронные спектрыизмерялисьпринормальнойэмиссии.Использовалисьнастройкиэлектронных линз, оптимизированные для сбора фотоэлектронов со всейплощади светового пятна на образце (SmallArea). Были выбраны настройкивходной и выходной щелей анализатора 5:7x20 (максимально открыты). Притакой настройке щелей и использовавшемся значении Epass=20 эВ разрешениеэнергоанализатора составлялооколо30мэВ.