11.5. Оже-электронная спектроскопия

Проведение оже-анализа требует, как и другие методики электронной спектроскопии, высокого вакуума. На рис. 11.8 показана схема экспериментальной установки. Цилиндрический зеркальный анализатор (ЦЗА) содержит внутреннюю электронную пушку, пучок который сфокусирован в точку на образце в области фокуса ЦЗА. Электроны, испущенные из образца, проходят через входную апертуру, отклоняются, а затем через выходную апертуру ЦЗА направляются к электронному умножителю. Пропускаемая энергия Е пропорциональна потенциалу, приложенному к внешнему цилиндру, а диапазон прошедших электронов определяется разрешением , где R обычно составляет 0,2-0,5%.

Полный спектр электронов, испущенных из твердого тела при облучении пучком электронов с энергией 2 кэВ, схематически показан на рис. 11.9. Узкий пик в правой части рисунка образуют упруго отраженные электроны (без потери энергии). Особенности в спектре при несколько меньшей энергии соответствуют электронам, испытавшим характеристические потери энергии вследствие электронных и плазменных возбуждений. Оже-электронные переходы обычно проявляются как небольшие особенности, наложенные на большой фон вторичных электронов. Поэтому обычной

Рис. 11.8. Экспериментальная техника, используемая в оже-спектроскопии [5]: 1 — мишень; 2 — электронная пушка; 3 — пушка для иоиного распыления; 4 — магнитная защита; S — детектор электронов; 6 — накопитель данных; 7 — управление разверткой.

Рис. 11.9. Спектр электронов с начальной энергией , рассеянных на твердом теле. На вставке показан режим оже-спектроскопии. Энергетическая шкала нелинейна [9].

практикой является использование дифференцирующей техники и получение функции (вставка на рис. 11.9). Дифференциальный анализ гипотетического спектра показан на рис. 11.10. Вклад от медленно меняющегося фона минимизируется с помощью дифференцирующей техники. Полный ток фона обратного рассеяния в области энергий выше 50 эВ составляет обычно 30% от тока первичного пучка. Уровень шума, возникающего

Рис. 11.10. Гипотетический спектр содержащий медленно меняющийся фон , гауссов пик и низкоэнергетичную ступеньку вида Виизу приведена пройзводная спектра по энергии. Обратите внимание на то, что энергия , соответствующая нижнему выбросу производной, соответствует области наибольшего наклона .

за счет этого тока, и отношение энергетического разрешения ДЕ к ширине оже-линии в общем случае и определяют отношение сигнал/шум и, следовательно, предельный уровень регистации примесей в образце. Типичная величина предельного уровня регистрации составляет .

На практике из-за малой величины сигнала оже-спектроскопия обычно проводится в режиме вычисления производной спектра по энергии. Дифференцирование обычно выполняется электронным путем с помощью одновременного наложения малого переменного напряжения на напряжение внешнего цилиндра и синхронной регистрации сигнала в фазе электронного умножителя в фазе с синхронизованным усилителем. Ось у регистрируемой записи пропорциональна , а ось х — кинетической энергии Е электронов. Производная спектра получается непосредственно. В этой методике возмущающее напряжение

(11.16)

налагается на энергию анализатора, так что ток собранных электронов становится модулированным. может быть записан в виде разложения в ряд Тейлора:

(11.17)

где штрихи обозначают дифференцирование по V. Включая в разложение члены более высокого порядка, можно записать

(11.18)

где включает все члены, не зависящие от времени. В этих расчетах предполагается так что членами высокого порядка, начиная с можно пренебречь. Используя синхронизованный усилитель для регистрации с избирательностью по фазе, можно осуществить селекцию компоненты сигнала, соответствующей частоте , которая как раз и равна требуемой величине или dN/dE для цилиндрического зеркального анализатора. Чтобы удовлетворить этому критерию, необходимо чтобы величина к была меньше, чем ширина оже-линии ~5 эВ.

Пример использования методики с дифференцированием спектра при падении электронов с энергией на образец кобальта показан на рис. 11.11. Для прямого спектра характерно в основном наличие пика упруго рассеянных электронов и почти плоского фона. Стрелки на рис. 11.11, а показывают энергии переходов для кислорода и кобальта. В производной спектра (рис. 11.11, б) проявляются сигналы LMM Со и KLL углерода и кислорода.

Выход оже-электронов для свободного атома определяется произведением

Рис. 11.11. Сравнение спектра (а) и его производной (б) для электронов с энергией падающих на кобальтовый образец [14]. — упругий пик; 2 — плазменные колебания.

сечения ионизации электронным ударом (гл. 6) и вероятности испускания оже-электрона :

(11.19)

В твердом теле положение более сложное, даже если рассматривается выход из слоя толщиной, равной глубине выхода электронов X. Например, первичные электроны, которые проникают через поверхностный слой и испытывают затем обратное рассеяние, могут давать вклад в выход оже-сигнала, если энергия первичных электронов намного превышает энергию связи. На выход также сильно влияют углы падения (дифракционные эффекты влияют на число упруго рассеянных первичных электронов) и испускания (геометрическая проекция глубины выхода). Следовательно, играет роль шероховатость поверхности — вероятность выхода электронов из шероховатой поверхности меньше, чем из гладкой. Поэтому при анализе твердых тел необходимо рассматривать модификацию как падающего пучка, так и оже-электронов при прохождении через твердое тело.

Оже-электронная спектроскопия является поверхностно-чувствительной методикой. На рис. 11.12 показан сигнал от атомов кислорода, соответствующий абсорбции 0,5 монослоя атомов кислорода. В общем случае малые количества типичных загрязнений С, N и О легко обнаруживаются. Водород же не может быть обнаружен оже-измерениями, так как для оже-перехода необходимы 3 электрона.

Рис. 11.12. Оже-спектры dN/dE от монокристалла после адсорбции ~ 0,5 монослоя атомов кислорода.

Оже-сигнал от подложки чувствителен к наличию поверхностных слоев. В гл. 6 было отмечено, что сигнал от подложки убывает по закону , где при прохождении через германий электронов, испущенных атомом кремиия. На рис. 11.13 показаны оже-спектры от медной подложки до и после осаждения слоя палладия толщиной 13,5 А. Из рисунка видно, что сигнал меди сильно ослабляется подложкой палладия. В частности, низкоэнергетичная линия полностью затухает вследствие малой глубины выхода электронов с энергией 60 эВ; высокоэнергетичная линия 918 эВ затухает лишь частично.

Рис. 11.13. Оже-следы для свежеосаждснной подложки (а), медной подложки непосредственно перед осаждением (б) и двойного слоя с толщинй слоя (в).