Борман В.Д. - Физические основы методов исследования наноструктур и поверхности твердого тела (1040989), страница 21
Текст из файла (страница 21)
2.8.6. Исследование иаиоразмериых слоев методом РФЭС с угловым разрегнен нем Толши[га зондируемой методом РФЭС приповсрхпостной области образца определяется средней длиной свободного пробега электронов и составляет -3-10 нм. Это справедливо в том случае, когда анализатор дстектируст фотоэлсктроны, вылетевшие по нормали к поверхности образца. Изменяя угол сбора фотоэлсктронов, можно варьировать толщину анализируемой приповерхностной области. На этом принципе построена методика РФЭС с угловым разрешением. Н ряде современных спектрометров [',например, ТЬега РгоЬе компании ТЬеппо Ъ'С[ Бс[спг[б[с) анализатор позволяет одновременно регистрироввгь фотоэлек"гроны, вылетевшие под разными углами к поверхности, и получать серию РФЭ спектров.
РВ[с. 2.52. иллюстрации нринниии мсголики РФ'ЭС с угноиым ритрсшснисм. Иви МСНСИИС УГЛИ СООРЛ фОТОТЛСКТРОИОВ ИРИВОДВГГ К ИМАМОВ[ОН[[К) ТОЛВИВ1НЫ ВИВЗ4ИЗВЦВУС- мой орикс[и н исрсрисирсасчснию иввгснснвиости снсктрильнк[х линий, вггнсчиювиих окиснснному и мсвю[в[1[чсскок[у сосгоннню н снучкс ннюгити нонсрхносви мстанли с тонким сноси[ окисла Г[ 71 Мегод РФЭС с угловым разрешением наиболее эффективен при исследовании свсрхтопких покрытий, толгципа которых меньше длины нробсга фотоэлсктрона. На рис.
2.52 нрсдставлсна схсма измсрсния РФЭ спсктров образца в виде свсрхтонкой плснки оксида на новсрхности мсталла прн двух значс1шях угла сбора фотоэлсктронов. Использованис «новсрхностного» угла сбора приводит к уменьшснию толщины зонднрусмой области и возрастанию интснсивности спсктральной лиши, отвсчак1нгсй окислсшюму состоянию металла. Зная значсния длины свободного пробега электронов в матсриалс образца, можно иа основс РФЭ снсктров с угловым разрешением опрсдслить распрсдслснис концснтрации элсмснтов по толщинс образца в прсдслах анализируемой области.
Рнс.2.53. Профили распрсхс11снил ьонцснзрацин злс1иснтов в образце А1 01Г%0л%, полученные по результатам анализа моголом РФЭГ с угловыи разрсгиснисм На рис. 2.53 привсдсны рсзультаты исслсдования мстодом РФЭС с угловым разрсшснисм распрсдслсния концснтрации 1лсмснтов в образце, прсдставляющсм собой свсрхтонкую плснку А110» на повсрхности % подложки с оксидом %0. толщиной 0.9 нм.
Измсрсния проводились на элсктронном снскгромстрс АКХРБ ТЬсга РгоЬс (ТЬсгпзо Е!ссггоп ' ). Видно, что данный метод позволяст нзмсрять толщину наноразмсрных слосв с точностью -0.5 нм. Преимуществом такой методики определения толщины является сс чувствнтсльность к химическому состоянию, т.с. возможность опрсдсля!ь тол1цгн1у слосв ОД1пгакОВОГО э1!Смснтного сосг11ва, но различной стсхиомстрин. Помимо этого, мстод РФЭС с угловым раз- См. ввзвлЬсг1но.сонз. ре~пением является иеразрушающим„т.е. позволяет контролировать толщину слоев, например, в процессе их роста. 2.9. Контрольные вопросы к главе 2 1. Оцените время заполнения 1 М! поверхности при р=1О ' Торр и Т=ЗОО К. 2. Дайте физическую интерпретацию химического сдвига в РФЭС.
3. Объясните разли ~ис измерения энергии связи в металлах и полупроводниках в РФЭС. 4. Обоснуйте плазмонный механизм формирования длины свободного пробега фотоэлектронов. 5. При каком режиме возбуждения остовных электронов !адиабатическом или внезапном) будет наблюдаться рождение электрон- дыро шых пар2 6. !1мовите необходимое условие существования спин- орбитального расщепления в РФЭС. 7. Объясните эффекты начального и конечного состояния в РФЭС. 8. Какие сателлиты могут наолюдаться в РФЭ спектрах' ? 9. Чем различается сппн-орбитальное и мультиплстнос расщепление' 10.
Объясните причину ассиметричной формы РФЭ спектров. В чем заключается явдснис ортогональной катастрофы Андерсона' ? 11. Зачем нужно охлаждать анод рентгеновской пушки? 12. Каков принцип работы полусферического анализатора? 13. Интерпретация зависимости длины свободного проба а электрона в твердом тслс от его кинетической энергии. Глава 3. Ожэ-электронная спектроскопия 3.1. Общие замечания и историческая справка Метод оже-элсктронной спектроскопии (Ан сг Е1ес1гоп Брсс1гоясору) основан па ожс-эффекте, названном в честь французского физика Пьера Оже (Р1еггс Анцег), обнаружившего данный эффскг в 1925 г. (рис.3.1) РисЗ.1.
11ьср Ожс 11В99-1993). французский физик, и чесгь коз ора1 о был лазили ожс-зф(1хжт~ Метод идентификации поверхностных примесей. основанный на регистрации возбуждаемых электронным пучком оже-элект1тонов, бьш предложен в 1953 г. С 1963 г.
для повышения чувствительности данного метода стали использовать дифференциальные ожсэлектронные спектры. Отличительными особенностями мегоча ОЭС являются: - поверхностная чувствительность метода; - чувствительность к химическому состоянию элементов; -возможность сканирования образца сфокусированным элсктро1шым ну~ком. позволяюн1ая получат~ ка1тгу 1заспрсдслсния элементов по повсрхносги образца (оже-электронная микроскопия) с субмикрсчшым разрешением (в совокушюсти с послойным ионным травлением можно также получить трехмерную карты распределения элементов в поверхностных слоях образца); - использование анализаторов электронов типа цилиндрического зеркала. обладающих большей чувствительностью по сравнению с другими типами анализаторов.
3.2. Физические основы ОЭС В основе методики ОЭС лежат следующие процессы: 1) ионизация остовных элек-тронных уровней первичным электронным пучком с энергией Ел и интенсивностью 1„~так называемым элеь"тронным ударом); 2) оже-рекомбинация ~т.е. безызлучательный, ф(ожс-переход); 3) эмиссия ожс-электрона с кинетической энергией КЕ...; 4) рсгпстрация энергетического спектра ожс-электронов, покинувших образец.
Схематически последовательность данных процессов показана на рис.3.2 И,~ зЕэ з оже-электрон эмиссия К ° электрона первичный электрон — Э-Ф— -переход Рис.3.2. С"хоме охтс-лсрсхотге КЕ,„Е,з ~17) Как уже упоминалось выше, оже-переход нредсгавляст собой электронный переход с участием трех электронных уровней: ионизованного перви шым электронным пучком уровня у. уровня А, с которого происходит переход электрона на вакантное место на уровне ~, и уровень 1, с которою происходит эмиссия оже- 130 электрона, уносимого выделя1ощуюся в результате электронного перехода А -+ ( энсргикь В этом слу гас говорят о,й( оженсреходе. Для обозначсиия ожс-переходов используют рсн"1тсновскис обозначения электронных уровней, участвующих в переходе. Так, ожс-переход электрона с уровня А = 2р„., на нонизованный уровень ( = 1т с эмиссией электрона с уровня ( = Зг( обозначается как КХ,,М45 ожс-переход (здесь индекс 45 обозначает участие электронов с обоих уровней спин-орбитального дублета Зй.».,5,).
В об1цем виде оже-электронныс переходы с участием остовных уровней обозначак1т как ССС, а с участием валснтных — СС1' и С1'1'. Для иопизащ5и остовного уровня с энергией связи ВЕ( необходимо выполнение энср1 етического условия Е„> ВЕ, . В принципе, для ожс-перехода нс важно, каким образом происходит ионизация остовного уровня. Поэтому, в соответствии со способом ионизации различают оже-электронную спектроскопию (ионизация электронным пучком), возбуждаемую рентгеновским излучением ожсспектроскопию (фотоиси1изация), ионную оже-спектроскопию (ионизация ионным пучком).
Преимущества использования электронного пучка: 1) простота получение электронного пучка нужной энергии Е„-- 1.5 —:5.0 кэВ и интенсивностью (,, -1 —:100„иА; 2) возможность фокусировки электронного пучка (до единиц микрон) и сканирования им поверхности образца, позволяющая получать ин111ормацию о локальном элсмс15тном составе образца (ожеэлскзронная микроскопия). В общем случае„рскомоинация ооразовавшейся остовной дырки может быть либо излучатсльной (т.с. сопровождаться эмиссией характеристического рснтгсновско1.о излучения), либо бсзызлучательной (т.е. сопровождаться эмиссией ожс-электрона).
Всроятност1* излучатслы!Ой и бс51»Блучатслыюй рскомои1ищии зависит От энергии связи осговного уровня. Излучительпи» рекимйнпи5(ии 131 преобладает при энергии ионнзации (энергии связи) ВЕ. > 1О кэВ. При этом энергия эмитированного рентгеновского излучения составляет единицы и десятки килоэлсктронвольт, а глубина выхода— единицы микрон. Таким образом, хотя положение линий характеристического рентгеновского излучения одиозна >по определяется элементным составом образца, рентгеновская эмиссионная спектроскопия (или рентгеновский микроанализ) нс является поверхностным мстодом, поскОльку даст ии(1>ора!а>~и>о ОО интсГра!>ы>Ом ')лсментном составе поверхностных слоев образца толщиной в единицы микрон.
Безызлучап!ельппя плп оже-рекомбпнпцп» наиболее вероятна для уровней с ВЕ,. <10 кэВ. При этом кинетическая энергия ожс-электронов составляет КЕ,.~, — 1 кэв, а их длина пробега в л>атериале образца — единицы наномстров. Таким образом, ОЭС является поверхностной методикой.
На рис3.3 представлена зависимость вероятностей излучательной и бсзызлучатсльной рекомбинации от атомного номера элемента У для К-оболочки [19~. Из рисунка видно, что для элементов с У < 20, что соответствует энер! ии ВЕ,. < 2 кэВ, вероятность ожс-рекомбинации много больше вероятности излучательной рекомбинации. Лналогичная зависимость имеет мссто и для других электронных оболочек. >и РисЗ.З. Зависиак>с>ь всроятности извтиатсяык>й (ф>ио!>Рсснснния) и бсзмтиуиатсльно>! (ожси>миссия1 исков>ОНИЯ>>ии о! атоаии>>о !ю>>сра элса>СИИ! лая К'- оооиочки [191 1Зг 3.3. Общий вид электронного спектра в ОЭС Типичный обзорный спектр ОЭС, полученный при энергии первичного электронного пучка Е,, =1 кэВ„представлен на рис.3.4. Он состоит из следующих характерных областей: 1) острый интенсивный пик упругорассеянных поверхностью первичных электронов с энергией КЕ = Е„; 2) сателлиты пика упругорассеянных первичных электронов, главным образом — плазмонные сателлиты.
Эти пики могут быль использованы для характеристики чистоты поверхности образца, так как энергия плазмонных возбуждений зависит ог диэлектрической проницаемости слоя на поверхности образца ~см. выражение ~2.75); 3) широкий низкоэнергетичнын пик неупругорассеянных перви шых и вторичных электронов„возцнкаюьцих вследствие каскадных ожс-переходов. Эти электроны ответственны за обший спектральный фон; 4) ожс-элсктронныс пики неоольшой интенсивности.
О ЗЮ ФФ кк, ~ 8Я ФЮ Яи~ю аавтржФ, г8 Рис,3,4. Обзорный оькс-васк~ровный спеки серебра а ин1сгрвяьиом ЦЕ) и диффсрснциаяьиои Н(Е)~'~К викс. На вставке покпан спектр отдельной винни оькс-алскгронов в 1нгссграаьноги и лиффсрсициааыкои внлс ~7, ! 7) 133 Для усиления слабых ожс-электронных пиков используют ожсэлектронпыс спектры В дифференциальном виде: сИ(КЕ)ИСКЕ (см. рис.3.4). Это позволяет: 1) увеличить интенсивность слабых пиков, так как производная не зависит от интенсивности самого пика 1(КЕ); 2) подавить фон нсупругорассеянпых электронов, который слаоо заВисит От энс1ъгии В Ок1зсстности анализи1зусмОГО Ожсэлектронного пика (Л,.„„, УсХКŠ— 0); 3) облегчить Определс~Ис НОложе~ия ши1зоких Ожсэлектронных линий. В дифференциальном виде положение пика принято характсрпзОВать положснисм Высокоэнс1ы стичнОГО минимума, которые нс соответствует максимуму КЕ,.„оже-пика в Интегральном виде 1(КЕ), а отвечает значению КЕ,, + и'l2, где И' — ширина спектральной линии.
Использование высокоэнергетичного минимума обусловлено тем. что он, как правило, является более четко выраженным для различных химических соединсниЙ ОднОГО н ТОГО же элемента (поскольку химический сдви~ В Основном меняет структуру низкоэнсргстичной части спектральной лилии). 3.4. Расчет кинетической энергии оке-электрона Рассмотрим несколько способов определения кинетической энергии оже-электрона КЕГВ 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
