Оже-микрозонд
Оже-микрозонд
Исследование наноструктур и тонких пленок
Оже-микрозонд является полезным инструментом исследования поверхностных явлений. В этой области еще много неизвестного, и полученная информация сама по себе очень интересна. В то же время он незаменим для материаловедения. В будущем ожидается дальнейшее расширение области применения Оже-микрозонда.
Когда узко сфокусированный пучок электронов облучает поверхность материала, из тонкого приповерхностного слоя вылетают электроны материала, которые несут информацию о его элементном составе. Измеряя энергию Оже-электронов, можно определить, какие элементы присутствуют в месте попадания электронного зонда, количество таких электронов пропорционально содержанию атомов элемента в данной области. «Микро» означает «очень маленький», а «зонд» означает «тонкий инструмент для изучения или исследования».
Излучение Оже-электрона из атома
Поясним, что такое Оже-электрон, который является ключом к структурному анализу поверхности материала.
Рис.1 Принципиальная схема генерации оже-электронов
Как показано на рис. 1, атом имеет электроны вокруг ядра. Фиксированное количество электронов заполняет места на каждом уровне, которые называются К-уровнем, L-уровнем и так далее. Кроме того, энергия электронов выше на более удаленных от ядра уровнях, увеличиваясь в порядке уровней K, L и M.
Кроме того, энергия электрона на каждом уровне, K, L, M и т. д., является определенной величиной для каждого элемента.
Теперь, когда электрон с большой скоростью влетает извне в атом, он может столкнуться с электроном на К-уровне и выбить его за пределы атома (рис. 1(а)). Это означает, что на уровне K теперь отсутствует один электрон, поэтому один из электронов с уровня L переместится, чтобы заполнить пробел. Это связано с тем, что атом всегда действует для достижения стабильного состояния с наименьшей энергией. Если электрон с уровня L, который имеет большую энергию, падает на уровень K, который имеет более низкую энергию, то остается лишняя энергия. Эта дополнительная энергия может быть испущена из атома двумя способами, как показано ниже.
(1) Излучение рентгеновского кванта (рис. 1(б)).
(2) Испускание электрона с L-уровня с соответствующей энергией (рис. 1(c)).
Случай (2) называется оже-переходом КЛЛ, а выбитый электрон — оже-электроном. Он назван в честь П. Оже, впервые обнаружившего это явление.
Энергия этого оже-электрона будет равна разнице между энергией электрона на L-уровне и энергией электрона на K-уровне за вычетом энергии, необходимой для совершения прыжка за пределы атома. Это значение уникально для каждого типа атома и составляет от нескольких десятков до 10 эВ. Расстояние, на которое электрон с таким уровнем энергии может пройти в твердом теле без потери энергии, не превышает нескольких нанометров (нанометр: одна миллионная миллиметра). Если оже-электрон испускается из места под поверхностью твердого тела, он будет терять энергию по мере прохождения через твердое тело и никогда не сможет быть выброшен с поверхности. Поэтому оже-электроны испускаются только с самой верхней поверхности. По этой причине микрозонд Оже является инструментом для анализа поверхности.
Какие данные получают какими инструментами?
Теперь мы объясним механизм инструмента.
Электронный пучок, испускаемый источником электронов, проходит через линзу и коллимируется, а затем облучается на поверхность образца.
Сканируя этот сфокусированный электронный луч на поверхности образца с помощью дефлекторной катушки, пользователь может выбрать интересующую область или наблюдать Оже-изображение.
Рис.2 Принципиальная схема поперечного сечения и JAMP-9500F
Оже-спектр
Электроны, испускаемые с поверхности образца, анализируются прибором, который различает энергии и называется HSA (анализатор полусферических секторов). После определения напряжения, подаваемого на HSA, только те электроны, которые имеют энергию, соответствующую напряжению, смогут пройти через HSA и быть обнаруженными.
Следовательно, если мы проверим количество обнаруженных электронов при сканировании напряжения, подаваемого на HSA, мы сможем обнаружить оже-электроны, смешанные с вторичными электронами и электронами обратного рассеяния. Изучая пиковую энергию, мы можем определить, какие элементы существуют на поверхности образца. Поскольку фон от вторичных и обратно рассеянных электронов велик, а оже-пик мал, чтобы облегчить наблюдение оже-пика, обнаруженный спектр электронов дифференцируется и отображается. Горизонтальная ось представляет собой энергию оже-электронов, а вертикальная ось представляет собой количество оже-электронов. На рис. 3 показан оже-спектр.
Рис.3 Система оже-спектра Sn·Ag·Cu·Bi (бессвинцовый припой)
Включая функции сканирующего электронного микроскопа
Когда электронные лучи попадают на материал, также испускаются электроны, называемые вторичными электронами. Обнаружив эти электроны, мы можем наблюдать форму образца точно так же, как в обычном сканирующем электронном микроскопе.
В дополнение к этому будут испускаться обратно рассеянные электроны и характеристическое рентгеновское излучение, которые также предоставляют важную информацию о образце.
По этой причине используются все типы детекторов.
Изображение шнека
Сканируя электронные лучи по поверхности образца и измеряя количество оже-электронов в каждой точке образца, а затем отображая их путем сопоставления количества с цветами, можно получить оже-изображение, подобное рис. 4.
В примерах рис. 3 и рис. 4 приведены данные образца бессвинцового припоя (ряд олово-серебро-медь-висмут).
В левом верхнем углу рис. 4 показано вторичное электронное изображение образца (с указанием формы образца), в левом нижнем углу показано Оже-изображение серебра, а в правом нижнем углу показано Оже-изображение меди. В правом верхнем углу показано составное изображение, на котором два изображения Оже окрашены (серебро в зеленый цвет, медь в красный цвет) и перекрываются с изображением вторичных электронов. Вы можете сразу увидеть распределение серебра и меди на поверхности образца.
Рис.4 Оже-изображение серебро, медная система Sn·Ag·Cu·Bi (бессвинцовый припой)
Определение распределения элементов в профиле по глубине
При анализе поверхности поверхность не должна быть загрязнена. Поэтому в камере для анализа образцов поддерживается сверхвысокий вакуум. Тем не менее, загрязнение, прилипшее к поверхности образца с самого начала, трудно удалить, поэтому источник ионов используется для облучения ионами поверхности образца для удаления загрязнения. С помощью источника ионов можно не только очистить поверхность образца, но и срезать поверхность образца. Таким образом, повторяя процесс измерения оже-спектра и вырезания материала, можно получить распределение элементов по глубине.
На рис. 5 представлены данные образца шарика припоя. Как упоминалось ранее, эти данные показывают распределение элементов в направлении глубины. Горизонтальная ось соответствует направлению глубины, а вертикальная ось представляет интенсивность оже-электронов каждого элемента.
Из этого результата мы видим, что на поверхности образца были обнаружены кислород и олово, поэтому мы знаем, что поверхность была покрыта оксидом олова. Толщина слоя оксида олова влияет на адгезионные свойства шарика припоя, а также на такие характеристики, как электропроводность. Поэтому проводятся исследования, чтобы определить, как различия в производственных условиях и условиях хранения влияют на толщину оксидированного слоя.
Рис.5 Профиль глубины различных элементов (шарик припоя)
Определение химического состояния
Упомянутые выше характеристики шариков припоя могут зависеть от того, является ли окисленный слой SnO2 или SnO, поэтому важно измерять химическое состояние олова. JAMP-9500F, оснащенный HSA, может анализировать химическое состояние различных элементов. На рис. 6 представлены стандартные спектры SnO2, SnO и металлического Sn.
Когда атом связан с другим атомом, положение пика смещается, и форма спектра изменяется. Другими словами, форма спектра будет меняться в зависимости от химического состояния элементов.
Рис.6 Стандартный спектр металлического Sn, SnO, SnO2
Используя стандартные спектры для математического разделения спектров, полученных на рис. 5, можно получить распределение профиля глубины по химическому состоянию. Результат этого анализа химического состояния показан на рис. 7.
Этот результат показывает, что поверхность состоит из SnO2 (четырехвалентного) и что двухвалентное олово SnO существует на границе раздела с металлическим оловом.
Рис.7 Профиль по глубине различного химического состояния (шарик припоя)
Оже-микрозонд бросает вызов наномиру
Поскольку микрозонд Оже имеет высокопроизводительную электронно-оптическую систему и может коллимировать электронные пучки до очень малых и точных размеров, он способен анализировать очень маленькие области, включая структуры порядка 10 нм (одна сотая 100,000 мм).
Поскольку составляющие элементы и их химическое состояние на самых верхних поверхностях и в микрообластях материала часто определяют физические свойства полупроводников, керамики и металлов, микрозонд Оже играет важную роль в анализе поверхности и анализе очень малых площадей, и ожидается, повысить значимость в будущем.