Auger Electron Microscopy俄歇电子显微镜.pdf

Auger Electron Microscopy(AES)Auger ProcessExample:TitaniumLMM Auger electron energy:423 eV(EAuger=EL2-EM4,5 EM2,3)X-ray photon energy:457.8 eV(Ehv=EL2-EM4,5).Auger Analytical VolumeAuger spectrum of Pd metalScale FactorsAuger Spectrum Display Algorithms of FePrinciple Auger Electron EnergiesRelative Sensitivity Factors of Elements3 keV Primary Beam Energy5 keV Primary Beam Energy10 keV Primary Beam Energy AES是用一電子束為激發源，游表面原子內層能階的電子使外層能電子填補所產生的電，而釋出能，進而傳輸給同原子的外層能階電子，造成接受能電子的激發游，而這游的電子稱為歐傑電子，因其具有特性的動能，而依據其動能判別其材表面元素的種。掃描式歐傑電子顯微鏡掃描式歐傑電子顯微鏡(SAM)歐傑電子顯微鏡是微電子業常使用的表面分析工具之一，它是藉由偵測電子束撞擊樣品所激發出的歐傑電子，因是自於樣品極淺層約十埃左右厚的訊號，經由能分析器將微弱的歐傑電子收集處，而獲取歐傑電子能譜圖，所以被用作為表面分析的檢測儀器；另外由於具備掃描的功能同時亦可得到二次電子影像(SEM)及表面成份之歐傑影像(Auger mapping)，因此可用作微區分析。如果搭配子束濺射樣品表面，再進一步檢測樣品新表面之歐傑訊號，可得到樣品從表面到內部的元素成份縱深分佈(depth profiling)，因此可適用於薄膜界面或缺陷分析。Auger Electron的原歐傑電子的產生是先用電子或光子將材原子的電子激發出，進入真空，此時原的電子位置會下空缺，稱為電（electron hole），此時比此電的能位置高的電子會跳到電位置，此時有種方式釋放出所多出的能差，（一）放出X光，（二）激發另一個電子，逃逸到真空，此電子稱為歐傑電子，此程序稱為歐傑程序（Auger process）。如，Si的1s電子首先被激發出去，2s電子跳下到1s所下的空缺的同時將另一2s激發開材進入真空，則此進入真空的歐傑電子稱為Si KLL歐傑電子。2s電子跳下到1s所下的空缺的同時將3s激發開材進入真空，則此進入真空的歐傑電子稱為Si KLM歐傑電子。值得注意的是當Si原子受激發時，會產生各種Si的歐傑電子，每個歐傑電子的訊號強弱有別，但都攜帶此Si原子的化學態資訊，如會攜帶此Si原子是否與同原子形成鍵結。此外，歐傑程序是物的second order作用，訊號很低，需用鎖相放大技術（locking amplifier technique）才看得到，由於訊號低，一般以微分訊號當作歐傑電子訊號，因其微分訊號一定會有正負值，而且經過點，很容辨，但失去物意義。歐傑電子之產生如圖一所示，必須要有3個電子以上的電子使能產生，所以除H及He外其他元素均可分析。K為基態（ground state），即所謂的工作函（work function）；有高能之入射電子照射於試樣之表面，則由於游化，將使得K層之電子被打出，而在K層下一空。L1層之電子將補充此空而放出EK-E1之能；在形式上可能成為光電子放出，能為h=EK-E1；或轉移至另一層電子（L2,3層），於試樣表面放出，而其能為EKE1E2,3；此原在L層之電子即所謂的KL1L2,3歐傑電子。一般歐傑電子的分析裝置如圖二所示，一電子束激發試片表面，有一電子能分析器用以分析發散自試品內部的二次電子的動能，試片在遭受電子束照射時，會發射同形式及能的二次電子或反射電子，而歐傑電子僅佔其中微小的，由於歐傑電子訊號強很微弱，在強的背景訊號比對下，往往觀察出，如果將積分譜線微分，則歐傑電子訊號可被明顯的別出，圖三為矽晶表面之歐傑電子的積分與微分能階，在此一歐傑能譜內，矽共有組歐傑電子訊號，低能部份為LVV歐傑電子，高能部份為KLL歐傑電子。Auger Electron能的鑑定 計算公式為EABC=EA-EB-EC-F(BC:x)+Rinx+Rexx 其中EABC是某一原子ABC歐傑電子的能 EA、EB、EC分別是該原子在核心電子能階（core level）A、B、C的束縛能（binding neergy）的絕對值 F(BC:x)是最終原子態中在B和C核心電子能階上的電彼此間的作用能（interaction energy）Rinx:（intra-atomic relaxation energy），Rexx:（extra-atomic relaxation energy）。歐傑電子能的計算太複雜，也求得正確能 一般採用使用方的Z+1 approximation方法，估計歐傑電子能，其估計方式如下：EABC（Z）=EA（Z）-(1/2)*【EB（Z）+EB（Z+1）】-(1/2)*【EC（Z）-EC（Z+1）】其中EABC（Z）是某一原子序為Z的原子的ABC歐傑電子能，EA（Z）、EB（Z）、EC（Z）分別是該原子在核心電子能階A、B、C的束縛能絕對值。能譜的鑑定 歐傑電子能譜的鑑定在於對每個元素歐傑電子能的解，以Si為，Si元素有KLL、KLM、KMM、KLV、KMV、KVV等歐傑電子，每個Si的歐傑電子的能是固定變的，會因電子鎗的電子束能同而改變，因此很容藉此特性鑑定元素是否是Si元素，但因分析技術需要在短時間內取得較強的訊號，以於作影像分析或是縮短測時間，在鑑定上都取訊號最強的Si KLL歐傑電子當作分析訊號，以提高偵測速以及偵測的敏。要確定元素是純元素或是以化合物態存在，也可由歐傑電子能譜鑑定，因元素在化合態時其歐傑電子能會與純元素同，此能位移的現象稱為化學位移（Chemical shift）。有項因素使得一般以歐傑電子的化學位移，當作標準的化學位移：（一）歐傑電子訊號的能寬太大，（二）歐傑電子的化學位移是三個能階的位移經計算 求得的，習慣上化學位移的測定以X光光電子能譜儀(XPS)直接測到的單一能階化學位移為準，它有項優點（1）能解析佳，）能解析佳，（2）因是單一能階化學位移，較與計算比較。）因是單一能階化學位移，較與計算比較。在元素鑑定時，並需要一一核對元素的歐傑電子據，任何一家公司出產的歐傑電子能譜儀，隨機都附有一套資庫，頭存有每個元素的歐傑電子訊號，因此在測時很容就可由電腦輔助，分析或鑑定在分析的材表面上有那些元素存在。定分析 歐傑電子能譜的定分析是採用相對敏感分析法（relative sensitivity factor analysis），其基本精神是將從試片取得的歐傑訊號強與標準試片的互相比較，取得定據。其作法介紹如下：要知道在試片中元素A的濃XA，只須將試片取得的元素A歐傑訊號強IA與純元素A的IA互相比較，即可求得 XA=IA/IA,Pure 但因要避免每一次實驗都要準被各元素的標準試片，一般商業機器都已預先將各元素的純標準試片的歐傑訊號強與銀標準試片的351 eV的MNN歐傑電子強比較，此相對值就是元素對銀的相對敏感（Relative sensitivity factor）S。如下圖，因此XA可表示為 XA=IA/SAISilver,Pure 一般而言，測試片中的所有元素歐傑訊號強，則每次實驗並需要測銀標準試片的351 eV的MNN歐傑電子強，因XA可表示為 要注意的是使用機器所給予的S，求出的XA的準確依元素而，有時很準，有時誤差高達20%，因此研究上需精確定，最好自己預備已知濃的標準試片，互相比較。能譜的縱深分析 歐傑電子能譜的縱深分析的目的是要求出每個元素在同材深的濃X。作法是用Ar濺鍍鎗（sputtering gun）將材打薄，並觀察試片中的所有元素歐傑訊號強。實驗的原始據為：歐傑訊號強（intensity）vs.濺鍍時間（sputtering time）圖，縱深分析在資處方面常要將此原始據改為：原子濃（atomic concentration）vs.深（depth）圖，但因此種轉換有相當的誤差存在，研究上常以【歐傑訊號強vs.濺鍍時間】圖此種半定的結果為最終據，進一步取得【原子濃vs.深】圖。一般而言非得取得【原子濃vs.深】圖，最好的方式是預備已知濃以及厚的標準試片，與實驗據比較VG Scientific MICROLAB 350 規格 加速電壓：0.525kV 放大倍：X200X500,000(WD 15mm)二次電子影像解析：7nm(25kV)/35nm(3kV)掃描歐傑電子影像解析：12nm(25kV)電子能分析器：球面扇分析器(SSA)能解析：0.022.0%子源：0.15kV,電5uA at 4kV ESCA/XPS X光源：雙陽極Mg K/Al K(面積5mm)試片最大尺寸：38mm(直徑)x8mm(高)載台移動範圍：X/Y=+/-9mm/+/-6mm.Z=+5/-15mm.Tilt=-2090.Rotation=0360.抽真空速：10分鐘電子槍電子槍:為取得較大之歐傑訊號，故宜盡可能獲取最多的電，但一方面為取得微小的分析點，又需縮小電子束寬。由於電子束與電子電大小成反比，故需最適當的透鏡設計與高發射極。CMA（Cylindrical mirror Analyzer):使用CMA乃因其透射大，且鑑別亦高之故，且其外殼為鎳鐵等高導磁係合製造，藉此種材之磁屏避效應，可避免擾低訴電子的軌道。子槍子槍:一般子的源有用電子撞擊、電場撞擊及光撞擊等，通常在腔室內加入惰性氣體，如Ar、He等，以有錸的鎢絲作為燈絲，經燈絲放出的電子撞擊Ar後使之游成Ar+之一次子，除用惰性氣體外，亦有使用氧氣子化形成O-之方法。真空系統真空系統:為精確的測試試樣之歐傑電子訊號，系統內之真空愈低愈好，以避免污染所造成之誤差。圖像掃瞄系統圖像掃瞄系統:AES系統中可在電視監視器上顯示試樣吸收電圖像，並且配備低速掃瞄電與獲得歐傑圖像，但由於電子束直徑達3m，故圖像的分辨比較低。功能掃描歐傑電子顯微鏡掃描歐傑電子顯微鏡(SAM)1.歐傑電子微區分析(Multi-points Analysis/Line Scans)2.歐傑電子成像(Auger Mapping)3.歐傑電子縱深分析(Auger Depth Profiling)二次電子影像二次電子影像(SEI)X光光電子能譜儀光光電子能譜儀(XPS)1.定性分析:化學態/成份分析2.定分析Applications歐傑電子能譜儀（Auger Electron Spectroscopy,AES）分析是用一電子束（動能230Kev）入射在分析樣品表面上，而激發出具有特性動能的歐傑電子，由動能值分析，可以判斷樣品的元素成分或化學態。由於低能電子（13Kev）在固態材內部的平均自由徑（Inelastic Mean Free Path）很短（約520），AES檢測的表面有效深約為50以內；如果用子束濺射試樣表面，將表面一層一層刮除掉，並檢測新表面的歐傑訊號，就可以得到試樣自表面到內部的元素成分的縱深分佈（Depth Profile）。AES分析技術應用相當廣泛，微電子主動元件中矽晶片氧化層屬導電層等多層式薄膜堆積是否合乎標準，用表面縱深分佈技術，即可明瞭每一層元素分佈態，層與層之間是否有界面擴散現象。電子元件彼此互通訊號必須依賴接器/接腳完成，接腳鍍層氧化會增加接觸電阻，影響訊號傳遞準確性；電鍍處完整，殘的電鍍原，則使電子元件長時間使用壽命因加快腐蝕而大幅縮短，用Depth Profile技術，則可找出最佳的電鍍處條件。屬子游移在電子元件使用壽命期的預估，被視為最頭痛的因素，使用AES Depth Profile則可以找出產生屬游移之破損機構。