Эффект Оже. Оже–спектроскопия (стр. 4 из 5)
. (6)Из (5) и (6) легко определяется относительная атомная концентрация
(выраженная в долях единицы) для атомов любого сорта: 
. (7)Для иллюстрации метода приведем один пример. На рис. 6 показан спектр оже-электронов (в дифференцированном виде), полученный от поверхности образца из нержавеющей стали, в состав которой входят Fe, Ni и Cr. Из рисунка видно, что у хрома имеются два, а у железа три оже-пика. Для расчета были использованы наиболее интенсивные линии железа и хрома и одна-единственная линия никеля (эти линии на рисунке отмечены звездочками). В результате расчета получены следующие концентрации компонентов в относительных единицах: Fe 0,68(0,702), Ni 0,09(0,093), Сr 0,22(0,205). В скобках указаны истинные концентрации компонентов нержавеющей стали. Приведенный пример наглядно свидетельствует о том, что с помощью метода ОЭС достаточно быстро и с хорошей точностью может быть проведен элементный анализ приповерхностных слоев твердых тел.
Рис. 6. Спектор оже-электронов от поверхности нержавеющей стали.
Несколько слов следует сказать об абсолютной чувствительности метода ОЭС. Если говорить о минимально регистрируемой объемной концентрации атомов (~10-19 см-3), то ОЭС по этому параметру сильно уступает другим методикам. Главное преимущество оже-электронной спектроскопии заключается в другом - в возможности обнаружения малых примесей на поверхности (точнее, в слое толщиной ~0,5–1,0 нм). В массовом измерении чувствительность метода составляет <10-14 г. Если распределить столь малое количество вещества на поверхности в один слой атомов, то оно будет соответствовать всего лишь 10-3 монослоя.
Растровая оже-электронная спектроскопия
Оже-электронная спектроскопия дает нам информацию об элементном составе участка поверхности тела, размеры которого в первом приближении определяются размерами самого электронного зонда (пучка первичных электронов). Перемещая электронный зонд по поверхности, можно получить данные о распределении элементов на ней в разных точках. В оже-спектрометрах первого поколения диаметр электронного пучка составлял десятые (в лучшем случае сотые) доли миллиметра. Поэтому и пространственное разрешение было того же порядка.
В настоящее время выпускаются так называемые сканирующие оже-спектрометры, в которых два прибора объединены вместе. Основой такого комплекса является сканирующий (растровый) электронный микроскоп (РЭМ), в котором электронный пучок очень малого диаметра (несколько нанометров) передвигается в двух перпендикулярных направлениях, засвечивая определенный участок поверхности (точно так же, как в обычной телевизионной трубке). Величина возникающего при этом тока вторичных электронов зависит от различных свойств поверхности. Таким образом, в каждый момент времени вторичные электроны несут информацию с участка, определяемого размерами электронного пучка. Визуализация картины осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки (подобной телевизионной), в которой синхронно с электронным зондом движется свой электронный пучок. Если сигнал, пропорциональный току вторичных электронов, подать на модулирующий электрод электронной пушки трубки, то на экране мы увидим изображение поверхности в так называемом режиме вторичных электронов. Такой прибор позволяет получить картину, отражающую эмиссионные свойства. При этом сказать что-либо об элементном составе оказывается непростой задачей.
Если наряду с коллектором, служащим для сбора вторичных электронов, установить энергоанализатор, то получится прибор, на котором можно получать изображение поверхности не только во вторичных электронах, но и в оже-электронах. Для этого энергоанализатор необходимо настроить на энергию интересующих нас оже-электронов, а на экране мы увидим распределение соответствующего элемента на поверхности. Если мы хотим получить информацию о распределении всех примесей, надо поочередно настраиваться на другие энергии оже-электронов. На рис. 7 приведено упрощенное схематическое изображение такого комбайна.
Существенным отличием сканирующего оже-спектрометра от обычного РЭМа является конструкция вакуумной системы, позволяющая достигать давлений р < 10-8 Па (в обычных РЭМах р ~ 10-3 –10-4 Па). Такой сверхвысокий вакуум необходим по той причине, что глубина выхода оже-электронов составляет (0,5–1) нм и любые загрязнения, в том числе и адсорбированные из остаточной атмосферы аналитической камеры частицы, приводят к сильному искажению результатов.
Рис. 7. Схематическое изображение растрового оже-спектрометра: 1 – образец, 2 – коллектор для сбора вторичных электронов, 3 – энергоанализатор, 4 – детектор энергоанализатора, 5 – электронно-лучевая трубка, 6 – катод электронной пушки, 7 – модулятор электронной пушки, 8 – отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки, служащие для получения растра, 9 – экран электронно-лучевой трубки.
Применение оже-спектроскопии
Традиционные области применения ОЭС - изучение процессов адсорбции и десорбции на поверхностях твердых тел, коррозии, явлений, происходящих при поверхностном гетерогенном катализе, контроль за чистотой поверхности в различных технологических процессах.
С появлением сканирующих оже-спектрометров ОЭС широко используется и в микроэлектронике, в том числе для выявления причин отказа различных элементов микросхем.
Этот список применений можно продолжать сколько угодно, поскольку буквально с каждым днем у этой уникальной методики открываются новые возможности.
Заключение
Сделана попытка в доступной и наглядной форме рассказать об одной из основных методик исследования поверхностей твердых тел - оже-электронной спектроскопии. Кратко описаны физические явления, лежащие в основе метода, показано, каким образом извлекается информация о составе поверхности и как проводить количественный анализ. Также указаны основные области применения ОЭС, которые непрерывно расширяются по мере совершенствования самого метода. Примером этого может служить появление сканирующей оже-спектроскопии, позволяющей получать карты распределения различных элементов с разрешением в несколько десятков нанометров, в результате чего стало возможно использовать ОЭС в микроэлектронике. Современные приборы дополнительно снабжены источниками ускоренных ионов, которые могут послойно стравливать образцы. Благодаря этому появилась возможность проводить трехмерный анализ состава объектов. Следует отметить, что в настоящее время удается получать недифференцированные оже-спектры, что существенно упрощает изучение тонкой структуры самих оже-линий, которая связана с наличием химических связей. Таким образом, ОЭС в перспективе может превратиться из метода анализа элементного состава в количественный метод анализа химического состава поверхности, что сделает его еще более универсальным инструментом.
Приложение
Сканирующий оже-микроанализаторJEOLJAMP-7810
Оже-микроанализ
Оже-микрозонд фокусируется на поверхности образца для анализа элементного состава и химического состояния элементов на площадях нанометрового диапазона. Это стало возможным благодаря тому, что 1) первичный пучок происходит из очень тонко сфокусированного источника возбуждения, 2) Оже-электроны менее подвержены влиянию диффузии первичного пучка в образце, чем рентгеновское излучение, и 3) используются ПСА-детекторы высокой чувствительности и высокого энергетического разрешения (ВЭР). Более того, на протяжении измерений с микроплощадей проводится коррекция положения зонда с учетом, например, дрейфа столика. Функция коррекции регистрирует величину и направление дрейфа столика и передает эту информацию на катушку коррекции, которая возвращает зонд в исходную позицию с целью проведения точного Оже-анализа.
Автоматический количественный и качественный анализ
Для идентификации пика при Оже-анализе прибор JAMP-7810 снабжен двумя функциями. Одна автоматически контролирует детектирование и идентификацию пика, другая – выводит на дисплей маркеры, указывающие положение пиков определенных элементов (KLM маркеры), что дает возможность оператору проверять соответствуют или не соответствуют пики KLM маркерам. Эти функции позволяют оператору с достоверностью проводить качественный анализ.
JAMP-7810 вычисляет концентрации элементов с помощью метода определения фактора относительной чувствительности, обращаясь к таблице факторов относительной чувствительности для основных уровней ускоряющего напряжения.