Оже-электронная спектроскопия
Оже-электронная спектроскопия
Исследование наноструктур и тонких пленок
Оже-электронная спектроскопия — чрезвычайно полезный инструмент для изучения различных явлений, связанных с поверхностями материалов. В этой области существует множество неизведанных областей, и полученная информация сама по себе весьма интересна. Кроме того, она незаменима для разработки материалов. В будущем ожидается её дальнейшее применение в ещё более широком спектре областей.
При воздействии узкосфокусированного электронного пучка на поверхность материала электроны вылетают из верхней части образца; выбитые электроны называются оже-электронами. Это электроны, энергия которых уникальна для исходного элемента. Измеряя энергию оже-электронов, можно определить, какие элементы и в каком химическом состоянии находятся на очень небольшом участке верхней поверхности твердого тела. Измеряя интенсивность излучения, можно определить концентрацию каждого элемента.
Излучение Оже-электрона из атома
Давайте объясним, 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 уровне L и энергией электрона на уровне K за вычетом энергии, необходимой для прыжка за пределы атома. Это значение уникально для каждого типа атома и составляет примерно от нескольких десятков эВ до 3000 эВ. Расстояние, которое электрон с таким уровнем энергии может пройти в твердом теле без потери энергии, составляет не более нескольких нм (нанометр: одна миллионная миллиметра). Если Оже-электрон испускается из места, находящегося под поверхностью твердого тела, он будет терять энергию по мере прохождения через твердое тело и никогда не сможет быть выбит с поверхности. Следовательно, Оже-электроны испускаются только с самой верхней поверхности. Именно поэтому Оже-электронная спектроскопия 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)
Микрозонд Оже бросает вызов наномиру
Поскольку Оже-электронная спектроскопия имеет высокопроизводительную электронно-оптическую систему и может коллимировать электронные пучки до очень малых, точных размеров, она способна анализировать очень маленькие области, включая структуры размером порядка 10 нм (одна стотысячная мм).
Поскольку составляющие элементы и их химические состояния на самых верхних поверхностях и микрообластях материала часто определяют физические свойства полупроводников, керамики и металлов, оже-электронная спектроскопия играет важную роль в анализе поверхностей и анализе очень малых областей, и ожидается, что ее значение будет возрастать в будущем.
Автоэмиссионный оже-микрозонд JAMP-9510F компании JEOL — это высокопроизводительный оже-электронный спектрометр с полусферическим анализатором, обеспечивающий высокопроизводительный анализ состояния химических связей в нано- и микрообластях, а также автоэмиссионная электронная пушка, используемая также для электронно-зондового микроанализа (ЭЗМА), поскольку она обеспечивает большой и стабильный электрический ток. Высокоточный эвцентрический предметный столик позволяет проводить ранее невозможный анализ диэлектриков. В сочетании с ионной пушкой плавающего типа это обеспечивает универсальность для работы с любыми образцами, такими как металлы и изоляционные материалы, для получения информации о составе и химическом составе.
