AES表面分析方法(课堂PPT)

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1、1 三种最基本的表面分析方法名称俄歇电子能谱X射线光电子能谱二次离子质谱AESXPSSIMS一次束电子X射线离子检测粒子俄歇电子光电子二次离子EABC EA EB ECEk h Ebm e特点定量较好带有化学位移信息检测灵敏度高分辨率高表面损伤小ppb缺点轻元素不能分析分辨差表面损伤 X射线不易聚焦 定量困难共同点 元素种类分析 成分分析 痕量分析 表面分析 2 俄歇电子能谱 AugerElectronSpectroscopy简称AES 一 简介二 基本原理三 定性及定量分析方法四 俄歇谱仪介绍五 主要应用 3 一般仪器原理示意图 4 一 简介当电子束照射到样品表面时 将有带着该样品特征的Au

2、ger电子从样品表面发射 从Auger电子可以得到如下信息 发射的Auger电子能量确定元素种类Auger电子数量元素含量 电子束聚焦 偏转和扫描元素面分布 离子束溅射刻蚀元素深度分布AES是一种重要的材料成分分析技术 其最大特点是 信息来自表面 3 30 具有微区分析能力 横向与深度分辨率好 定量分析较好 5 二 基础知识1 俄歇效应 1925年 法国人P Auger 用某种方法使原子内层电子 如K层 电离出去 内层出现空位 电离原子去激发可采用如下两种形式 6 7 辐射跃迁 一外层电子填充空位后 发射出特征X射线 例L3上电子填充K能级上空位 发出X射线K 1 无辐射过程 即Auger过程

3、 一外层电子填充空位 使另一个电子脱离原子发射出去 例L1上电子填充K能级空位 同时L3上的电子发射出去 称KL1L3俄歇跃迁 8 特点 第二个电子在弛豫过程中释放的能量 须大于或至少等于第三个电子的束缚能 终态为二重电离状态 H和He只有一个K壳层 最多只有2个电子 无法产生Auger跃迁 C K跃迁 Coster Kronig跃迁 终态空位之一与初态空位处于同一主壳层内即WiWpYq p i 超C K跃迁 两终态都与初态空位处于同一主壳层内即WiWpWq p i q i C K跃迁速度快 t小 由测不准原理 E t h E大 带来能量的分散 使谱线展宽 9 2 俄歇电子能量EABC EA

4、Z EB Z EC Z EA EB EC分别为A B C能级上电子的结合能 是原子序数为Z的元素的函数 是该种元素原子所特有的 因此EABC也是该种元素特有的 修正 EABC EA Z 1 2 EB Z EB Z 1 1 2 EC Z EC Z 1 相邻原子序数该能级的能量 10 11 特点 一种原子可能产生几组不同能级组合的俄歇跃迁 因而可以有若干不同特征能量的俄歇电子 可能出现的俄歇跃迁数随原子序数增大 壳层数增多 而迅速增加 俄歇电子的能量大多在50 2000eV 不随入射电子能量改变 主峰 通过实验和计算得到He以后所有元素的各组基本俄歇跃迁的特征能量 12 3 俄歇电流俄歇电流的大小

5、 即俄歇峰所包含的电子数 表示所含元素原子的多少 俄歇电子从固体表面的发射过程 产生内层电离的原子 电子碰撞电离截面 俄歇跃迁过程 俄歇跃迁几率 俄歇电子从产生处输运到表面 从固体表面逸出 逸出深度 13 1 电子碰撞电离截面QA入射电子与原子相互作用时 内层能级A上产生空位的几率 设U Ep EAEp 入射电子能量EA 内层能级束缚能通过理论计算及实验测定 得到如下公式 QA EA 2 lnU U 2 可见 U必须 1即Ep EA 曲线有最大值 当U 2 7时 Ep为EA的2 7倍 电离截面取决于束缚能实验数值 内层束缚能 1keV入射电子能量 3 5keVU 3 4 14 2 俄歇跃迁几率

6、PR X射线辐射几率PA 俄歇电子跃迁几率PR PA 1荧光几率与俄歇几率 初态在K层 对于Z 15 采用K系列荧光几率很小荧光产额与束缚能 荧光几率随束缚能的增大而增大 而束缚能随壳层由内向外逐渐减小 依次采用K L M系列荧光几率可保持较小数 对于同一壳层上的束缚能随原子序数增加而增加 对轻元素分析特别灵敏 选取适合系列 退激发过程可认为仅有俄歇过程 15 3 俄歇电子逸出深度俄歇电子的逸出深度在小于或等于其在固体中的平均自由程时 才能得到有价值的俄歇信息 N N0e z 非弹性散射平均自由程 逸出深度z 垂直于表面 指向外部平均逸出深度与俄歇电子能量 对纯元素与元素种类关系不大 在高能段

7、 E0 7当俄歇电子能量为0 2000eV 逸出深度为3 30 平均逸出深度10 16 4 背向散射电子激发的俄歇发射当背向散射电子能量 EA 亦能使原子激发 产生俄歇过程 激发俄歇电子的总电流 I 1 r IpIp 入射束流r 背向散射二次发射系数背向散射电子的作用 将使俄歇信息强度增加百分之几 这一量值随U的增大而增大 随原子序数增加而增加 17 5 俄歇电流表达式IA o IpniQWPWXYTe z cos dz当能量为Ep 束流为Ip的一次电子束垂直入射样品表面 假设能量分析器只接收出射方向为与表面法线夹角从 2到 2 为一小量 的俄歇电子 这样的电子处于 立体角内 俄歇电子辐射方向

8、各向同性 能量分析器所接收的俄歇电子占各方向总数的 4 近似等于能量分析器的传输率T 假设 在俄歇电子逸出深度范围内Ep和Ip保持不变 所考虑i元素单位体积原子数ni在此区域内为常数 物理意义 积分号内 IpniQWPWXYTdz 是距表面z处 dz深度范围内 处于能量分析器接收角度范围内的俄歇电子 再乘以e z cos 就是能量无损地输运到表面的部分 z cos 表示输运距离 18 如一次电子并非垂直入射 入射方向与表面法线成 角 则 IA sec IpniQWPWXYT cos 若B为背散射增强因子 R为表面粗糙因子则 IA BR sec IpniQWPWXYT cos 通常R 1 光滑表

9、面R 1 19 20 提高信背比 信号 本底 直接谱N E EN E 是单位时间单位能量间隔内的电子数 微分谱 dN E dE E 是直接谱的微分形式微分谱将直接谱的每一个峰转化为一对正 负峰 负峰所对应的能量为阈值能 利用峰 峰高度确定信息强度 21 22 23 24 25 26 三 定性分析 根据俄歇峰位置确定元素1 微分谱的一般特点负峰尖锐 正峰较小2 元素鉴定指纹鉴定 除氢 氦 俄歇电子标准谱手册 1 找最强线 查手册确定元素 2 找出该元素所有谱线 3 重复上述两步 4 若有重叠 综合考虑3 改变初级束能量 排除初级电子能量损失峰4 考虑是否存在化学位移 27 四 定量分析 根据俄歇

10、峰强度确定元素含量单位体积原子数 原子密度 ni单位体积i原子占总原子数的百分数 原子浓度 或百分浓度 Ci ni nji元素WXY俄歇峰强度表示为Ii wxy由Iiwxy求ni或CI计算俄歇电流公式 Ii wxy BiR sec IpniQi wxyPi wxy i wxycos Ti wxy若由II wxy求出ni 需先确定其它参数 这是非常困难的 通常采用标样法 将样品与标样对比 28 前提 在相同的测试环境与条件下 Ep 一次电子束能量Ip 一次电子束束流 Ep 倍增器高压Em 调制能量峰峰值L 锁相放大器放大倍数其中Ep和Ep与II wxy不成正比Ip Em和L与II wxy成正比

11、IpEmL 称为刻度系数 测试时若不同可最后换算 1 纯元素标样法以纯元素i制作标样假定标样与样品的Bi R i WXY TiWXY相同 则 已知测量得求得ni 29 30 31 求百分含量 可无需Ag标样 求出原子百分含量若则进一步简化 利用主峰强度及相对灵敏度因子 通常用的定量分析公式 32 33 四 应用例举1 微区分析 电子束径 30nm 34 35 2 面元素分布分析 扫描俄歇象SAM 36 3 深度剖面分析 37 38 五 俄歇电子能谱仪 1 入射电子束源 束斑大小影响微区分析及扫描AES的横向分辨 束流大小影响信噪比利用场发射阴极作为电子束源 小束斑 几千 几百 高亮度不用磁聚焦

12、系统 结构简单通常工作条件 入射电子能量 1 5keV一次束流Ip 10 8A入射角范围 20 45 39 2 能量分析器 1 能量分析器种类 a 四栅球型能量分析器 拒斥场型 样品 G1接地 形成无场空间电子按原有方向前进 G2 G3接负电位 Vr 对电子形成拒斥场 G4接地 减小电场渗透和电位畸变 提高分辨率 收集极接正高压 收集电子收集电子能量E0 e Vr 收集电流Ic N E dE高通分析器 只有能量高于阻挡势的粒子才可能被接收为得到N E 取一次微分dN E dE 取两次微分缺点 分辨率不高 检测灵敏度低 40 41 42 43 工作方式一 信号 电子倍增 脉冲计数 N E 外圆筒

13、电位扫描 N E E 计算机处理 取微分等 工作方式二 当分析器外圆筒上叠加一交流电压 V ksin t 通过分析器的电子能量被调制 E e V eksin t输出电流的能量展开式 若rb ra固定 44 45 3 主要参数 能量分辨率 绝对分辨率 谱峰的半宽度 E FWHM 相对分辨率 R E Eo 100 Eo 通过分析器后电子的能量峰值 分辨本领 Eo E通常 E 5 10eV Eo 1000 2000eV R 0 5 空间分辨率 由电子枪束斑厚度分辨率 5 30 灵敏度绝对灵敏度 最小可检测量 以克表示 相对灵敏度 最低检测浓度 从多组分样品中检测出某种元素的比例 用百分浓度或ppm

14、ppb表示 影响检测的灵敏度主要因素 仪器传输率T和信噪比 46 传输率T Transmission 当入射电子束为单色 并有均匀的角分布时T 4 入射电子的有效立体角入口立体角大 传输率高 灵敏度高传输率与入口和出口缝隙宽度 半角 的关系T sin 0为兼顾传输率与分辨率 一般取 为6 10 此时T 7 10 47 信噪比 S N筒镜分析器的收集电流为一极窄能量间隔内的电流 取得同样大小信号 CMA的收集极电流仅为四栅拒斥场分析器的10 4 IN 散粒噪声IC 收集极电流CMA的散粒噪声将比四栅拒斥场分析器减小100倍 信噪比提高2个量级 具有筒镜能量分析器的AES 其检测灵敏度为0 1 量级