第15章其它显微分析方法

2、优缺点n表面微区成分分析：常用的主要工具仍是电子探针仪。n优点：（1）定量分析的精度较高；对Z10、浓度10wt的元素，其误差在5内。（2）无损：可重复分析。n缺点：（1）高能电子束对样品的穿透深度和侧向扩展较大，一般达m级，难以满足薄层表面分析要求。（2）对Z11的轻元素分析困难，因其荧光产额低，特征X 射线光子能量小，使其检测灵敏度和定量精度都较差。2第一节离子探针 3离子探针仪的基本原理n离子探针仪的基本原理：n利用电子光学方法，把能量为1020KeV惰性气体等初级离子加速并聚焦成细小的高能离子束轰击固体样品表面，使之激发和溅射出正、负二次离子，采用质谱仪对二次离

3、子按质荷比分开，并用探测器测量记录二次离子质谱（强度按质荷比地分布），从而确定固体表面所含元素的种类和数量。n离子探针：学名称二次离子质谱仪（Second Ion Mass Spectroscopy-SIMS）。n它是一种用于表面和微区成分分析的技术，因为二次离子来自于样品的最表层（ 2nm)。 4离子探针的特点n离子探针：功能上与电子探针类似，只是以离子束代替电子束，以质谱仪代替X射线分析器。n与EPMA相比，SISM有以下几个特点：1. 离子束在固体表面穿透深度（几个原子层）比电子束浅，可对极薄表层的深度进行成份分析。分析区域：直径12m、深度5nm，大大改善了表面成分分析的功

4、能。 2. 可分析包括H、Li元素在内的轻元素，特别是H元素，此功能是其它仪器不具备的。3. 可探测痕量元素(5010-9，EPMA的极限为0.01%)。 4. 可作同位素分析。5几种表面微区成分分析技术的对比n表14-1 几种表面微区成分分析技术的性能对比6离子探针仪n1.可同时安装三个离子枪，推荐使用O离子枪和Ce离子枪；n2.束能0.25 kV 到 8 kV；n3.原子浓度探测精度高，达到 ppb。日本产动态二次离子质谱系统(离子探针）法国CAMECA公司NANOSIMS-507离子探针仪结构n离子探针仪结构：一次离子发射系统、质谱仪、二次离子的记录和显示系统等三部分组成。图14

5、-1 离子探针仪结构示意图一次离子发射系统：由离子源和透镜组成。n离子源：发射一次离子的装置，常是用几百V的电子束轰击气体分子（如惰性气体氦、氖、氩等），使气体分子电离，而产生一次离子。8一次离子发射系统n一次离子在1220kV加速电压作用下，从离子枪内射出，通过扇形磁铁偏转（滤除能量差别较大离子）后，再经几个电磁透镜聚焦成离子束，照射样品表面激发二次离子。图14-1 离子探针仪结构示意图 n用引出电极(施加约1KV 电压)将二次离子加速并引入质谱仪。n二次离子能量为：二次离子质量m不同，其速度 v 也不同。9质谱仪质谱仪：由扇形电场和扇形磁场组成。二次离子先进入一个

6、圆筒形电容器式扇形电场，称为静电分析器。n在径向电场内，离子沿半径为 r 的圆形轨道运动，由电场产生的力等于向心力：Ee = mv2/r n离子的轨迹半径为：r mv2Ee n即 r与离子动量成正比。n n扇形电场扇形电场：能使电荷e和动能相同、质量未必相同的离子作相同程度的偏转。10n由电场偏转后的二次离子，再进入扇形磁场 B（磁分析器）进行第二次聚焦。由磁通产生的洛仑兹力等于向心力：n二次离子的加速电压为V ，nr为磁场内离子轨迹的半径，n则n由两式整理可得： 11n可见，质荷比（m/e）相同的离子具有相同的运动半径。故经扇形磁场后，离子按m/e比聚焦在一起。n相同m/e比

7、离子聚焦在 C 狭缝处的成像面上。 n不同m/e比离子聚焦在成像面的不同点上。n若 C 狭缝固定不动，连续改变扇形磁场的强度 B ，便有不同质量的离子通过 C狭缝进入探测器。nB狭缝称为能量狭缝；改变狭缝宽度：可选择不同能量的二次离子进入磁场。狭缝B狭缝C12离子探测系统离子探测系统：n离子探测器是二次电子倍增管，内是弯曲的电极，各电极间施加100-300V的电压，以逐级加速电子。n二次离子：通过质谱仪后直接与电子倍增管的初级电极相碰撞，产生二次电子发射。二次电子被第二级电极吸引并加速，在其上轰击出更多的二次电子，这样逐级倍增，最后进入记录和观察系统。13二次离子

8、的记录和观察系统n二次离子的记录和观察系统：n与电子探针相似，当初级离子束在样品表面扫描时，选择某离子讯号强度调制同步扫描的阴极射线管荧光屏亮度，可显示二次离子像，给出某元素面分布的图。在记录仪上画出所有元素的二次离子质谱图。在可控条件下，用初级离子轰击溅射剥层，可获得元素浓度随深度变化的信息。图14-2 典型的离子探针质谱分析结果18.5 keV 氧离子(0)轰击的硅半导体 14SISM的应用n由于SISM的特点，目前可应用于诸多方面的分析研究： 1. 表面分析:（包括单分子层的分析），诸如催化、腐蚀、吸附、和扩散等一些表面现象的分析研究。 2. 深度剖面分析：（

9、深度大于50nm的分析），在薄膜分析、扩散和离子注入等研究中，是测定杂质和同位素的深度浓度分布最有效的表面分析工具。 3. 面分析：通过离子成像法可提供元素横向分布的信息和适当条件下定量信息。目前离子成像已用于研究晶界析出物、冶金和单晶的效应、横向扩散、矿物相的特征以及表面杂质分布等。 4. 微区分析：（小于25m微区）用于痕量元素分析、杂质分析、空气中悬浮粒子的分析等。15一、离子探针仪在半导体材料方面的应用n离子探针有许多优点，自问世以来在半导体、金属、矿物、环境保护、同位素和催化剂各方面的应用都有很大发展。n一、离子探针仪在半导体材料方面的应用：n半导体材料纯度高，要求

10、分析区域小，且要求表面和深度分析，因此，离子探针最适合发挥作用的领域。其中有代表性的工作有：n1表面、界面和体材料的杂质分析：n 测定材料表面沾污层，表面吸附层，和表面氧化层中的杂含量，以便了解材料性能和改进工艺条件。n 测定每道工艺过程（如切、磨、抛、腐蚀、光刻等）前后表面组分变化，以便改进工艺条件，提高质量。 16一、离子探针仪在半导体材料方面的应用n 测定铝-硅(Al-Si)接触面处，铝和硅的互扩散，分析失效原因。n 研究SiO2-Si界面性质，对制作电子学器件是很重要的。离子探针给出硅上热生长100nmSiO2薄膜的分析结果，帮助准确地确定界面位置。n 分析半导体材料中的

11、析出物，化合物半导体材料中的组分偏析，单晶中微缺陷等。 n 研究非晶态和晶态硅膜上的杂质和离子群问题，了解晶体形成的机理。n 测定氟氢酸腐蚀过的导电层和硅阳极氧化层中所含的氟量。 17一、离子探针仪在半导体材料方面的应用n2离子注入掺杂的测定：n 定性或半定量地测定掺杂元素，如掺入硅中的硼、磷、砷、锑等在半导体中的扩散和反扩散分布。n 定量测定注入到半导体材料中掺杂元素的注入分布，探索注入条件，验证注入效果，进一步了解离子在能量损失机理。n离子探针：是进行深度分析最有效和快速的方法之一。n如：有人测量了Si 中注入B的浓度分布，也有人测定砷在硅中的分布，还有人研究了Si中注入P、

12、O和N等的浓度分布，以及注入氮的分布的研究。 18第三节俄歇电子能谱仪 19俄歇电电子能谱仪谱仪的基本原理n俄歇电电子能谱仪谱仪基本原理：俄歇电子产生示意图n高能电子束与固体样品相互作用时，使内层电子激发、跃迁，所释放出能量，并不以X射线形式发射，而使空位层内(或外层) 另一电子激发，此被电离出的电子称为俄歇电电子。n检测俄歇电电子的能量和强度，可获得有关表层化学成分的定性或定量信息。 20一、俄歇跃迁及其几率 n俄歇电电子特点：能量低，约501500eV，但能量具有特征值；原子发射一个KL2L2俄歇电子，其能量： 21俄歇电子发射形式和能量n如：初始K激发K系辐射：(

13、K1，K2，Kl，等)；n发射不同能量K系俄歇电子：（KL1L1，KL1L2,3，等)。n初始L或M激发，能量各异。n各元素不同跃迁，发射俄歇电子能量如图所示。 n电子跃迁过程不同，引起俄歇电子发射形式也多种多样。图14-9 各种元素的俄歇电子能量 22俄歇电子产额俄歇电电子产额产额：随原子序数Z的变化。n1、轻轻元素（Z15）：K系及几乎所有元素L和M系，产额很高。故俄歇电电子能谱谱分析对轻元素特别有效。n2、中、高原子序数元素：n用L和M系俄歇电子强度也较高，进行分析比用L或M 系X射线（荧光产额低）灵敏度高。23n通常，分析所用的俄歇电子：1.对Z14的元素，采用KLL电子

14、来鉴定；2. 对Z 14的元素，采用LMM电子比较合适；3. 对Z42的元素，以MNN和MN0电子为佳。n为激发上述这些类型的俄歇跃迁，所需入射电子能量都不高，小于5keV就够了。n大多数元素：n在501000 eV能量范围内都有较高的俄歇电子产额。 24 俄歇电子的平均自由程很小（约1nm）；n俄歇电子发射深度：取决于入射电子穿透能力，但能保持特征能量而逸出表面的，仅限于表层下0.11nm深度。n0.11nm深度：约几个原子层，故俄歇电子能谱仪是有效的表面分析工具。n显然，在浅表层内，入射电子束几乎不侧向扩展，其空间分辨率直接与束斑尺寸相当。n目前，利用细聚焦入射电子束的“俄

15、歇探针仪”可分析大约50nm微区表面的化学成分。 25二、俄歇电子能谱仪n俄歇电子能谱仪：n包括电子枪、能量分析器、二次电子探测器、样品室、溅射离子枪和信号处理与记录系统等。n电子枪：为俄歇电子激发源。用普通三极热阴极电子枪，也可采用场放射电子枪，其束斑可达： 30nm。n溅射离子枪：它由离子源和束聚焦透镜等部分组成。n一般采用差分式氩离子枪，即利用差压抽气使离子枪中气体压强比分析室高103倍左右。这样当离子枪工作时，分析室仍可处于高真空度。n离子束能量：在0.55keV可调，束斑直径：0.15mm 可调，离子束也可在大范围内扫描。26日本电子的公司俄歇电子显微分析仪JAMP-78

16、10 SCANNING AUGERMICROPROBEJAMP-9500FField Emission Auger Microprobe27三、俄歇电子能谱的检测 n俄歇电子：为低能的微弱信息，在其能量范围内，由入射电子所激发产生的大量二次电子和非弹性背散射电子构成了很高的背景强度。n如：俄歇电子的电流：约为10-12A数量级；n而二次电子等的电流：高达10-10A，n故饿歇电子谱的信噪比（SN）极低，检测相当困难，需要某些特殊的电子能量分析器和数据处理方法。n俄歇谱仪采用的电子能量分析器：主要有阻挡场挡场分析器（RFA）；圆圆筒镜镜分析器（CMA）。 n圆圆筒镜镜分析器（CMA）：为1966年后出现的一种新型电子能量分析器，已为近代俄歇谱仪所广泛采用。28电子能量分析器n圆圆筒镜镜分析器（CMA）：n它由两个同轴的圆筒形电极所构成的静电反射系统，内筒上开有环状的电子入口(E)和出口(B)光阑，内筒和

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