Получение оже-спектра

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС) является одним из наиболее чувствительных не разрушающих методов контроля элементного и химического состава поверхности и приповерхностных слоев металлов,
полупроводников и диэлектриков. Она позволяет изучать виды связи химических элементов на поверхности, проводить послойный анализ (определять профили легирования).

В основе ЭОС лежит принцип энергетического анализа вторичных электронов, возбуждаемых пучком электронов (электронный зонд) в точке поверхности исследуемого объекта. Электроны, бомбардирующие поверхность объекта, вызывают вторичную эмиссию электронов. Характерный спектр энергетического распределения вторичных электронов изображен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 — Спектр энергетического распределения вторичных электронов

На кривой энергетического распределения электронов хорошо различается три области: 3 — острый пик при энергии первичных электронов Eр, который представляет собой группу упруго отраженных электронов, 1 — широкий максимум вблизи E = 0, характеризующий истинно вторичные электроны, и 2 — область между ними, характеризующая неупругорассеянные электроны.

На участках 1 и 2 могут быть обнаружены небольшие по амплитуде пики при определенных значениях энергии, независимые от энергии первичных электронов. Это пики групп электронов, образовавшихся в результате оже-процессов.

Процессы появления оже-электронов характеризуются следующим. При возбуждении атома (например, электронным пучком) в твердом теле удалением электрона с внутренней оболочки, атом возвращается в своё первоначальное состояние путем перехода электрона с внешних энергетических уровней. Энергия, высвободившаяся в результате такого перехода, может выделяться в виде фотона или электрона с энергией фотона (оже-электрон). Энергия оже-электрона, определяемая межорбитальным переходом, характеризует атомный номер элемента, т. е. его химическую природу. Электронная оже-спектроскопия основывается на селекции и регистрации пиков оже-электронов.

Необходимость оперативного контроля физико-химического состояния поверхностей в течение и после некоторых технологических операций (электролитическое нанесение покрытий, различные очистки, и промывки, температурные обработки в газовых атмосферах, обработки ионными пучками и т. п.) требует создания быстродействующих анализирующих систем, имеющих необходимые рабочие характеристики, сравнительно небольшие габариты, не очень сложные в изготовлении. Эти требования выполняются при использовании в качестве анализатора электростатического анализатора цилиндрического типа («цилиндрическое зеркало»).

Цилиндрический анализатор имеет полосовую функцию пропускания, и сравнительно высокий уровень выходного тока, а это позволяет использовать регистрирующую аппаратуру с относительно широкой полосой пропускания и, следовательно, регистрировать оже-спектры с пропорционально высокой скоростью. Функция пропускания Т(E) анализатора представлена на рисунке 3.2.

Т(Е) — доля электронов прошедших через анализатор

Рисунок 3.2 — Функция пропускания цилиндрического анализатора

Рисунок 3.3 — Функция пропускания анализатора тормозящего типа

Основным источником шума в энергетических анализаторах является дробовой шум, связанный с эмиссией и собиранием электронов коллекторной системой. Величина дробового шума определяется выражением:

,где e — заряд электрона; I — собираемый коллектором ток; ΔF — полоса пропускания регистрирующей системы.

Величина шума в цилиндрических анализаторах определяется лишь величиной шума в интервале 2δE, что выгодно отличает данный анализатор от анализаторов, имеющих функцию пропускания вида «фильтр высоких энергий», как показано на рисунке 3.3.

Аппаратурная задача ЭОС состоит в усилении пиков групп оже-электронов с одновременной нейтрализацией фона, на который наложены пики, поскольку соотношение уровней фона и пиков составляет 10⁵ ÷ 10⁷. Наиболее эффективное решение данной задачи заключается в дифференцировании кривой энергетического распределения вторичных электронов. Кривые дифференцирования кривых энергетического распределения получили название оже-спектров.

Прямое дифференцирование (с помощью дифференциатора) неприемлемо из-за низкого соотношения сигнал/шум на выходе.

Достаточно высокое соотношение сигнал/шум можно получить с помощью гетеродинного преобразования и синхронного детектирования. В этом случае модулирующий сигнал накладывается на напряжение, определяющее значение энергии Eа. Если коллекторный ток i есть функция сканирующего напряжения U, то разложение этого тока в ряд Тейлора при модуляции напряжения сигналом A∙sinωt может быть записано в виде:

Если глубина модуляции достаточно мала выражение можно переписать:

откуда видно, что:

- на частоте первой гармоники на коллекторе выделяется первый дифференциал коллекторного тока, пропорциональный амплитуде A;

- на частоте второй гармоники выделяется второй дифференциал коллекторного тока, пропорциональный A²/4.

Для цилиндрического анализатора, имеющего полосовую функцию пропускания, детектирование оже-спектров происходит при регистрации сигнала коллекторного тока на частоте первой гармоники.

Дата добавления: 2015-05-09