Tutoriel Auger: Théorie

Spectroscopie électronique Auger (AES) identifie les compositions élémentaires de surfaces en mesurant les énergies des électrons Auger. L'émission d'électrons Auger est stimulée en bombardant l'échantillon avec un faisceau d'électrons. Les énergies des électrons Auger sont caractéristiques des éléments dont proviennent les électrons. La spectroscopie électronique Auger est une méthode répandue pour l'analyse de surfaces, de films minces et d'interfaces.

Bien que les deux soient datés, deux bons ouvrages de référence sont:

  • Spectroscopie Photoélectronique et Auger, TA Carlson (Plenum Press, New York, 1975)
  • Méthodes d'analyse de surface, AW Czanderna, éd. (Elsevier, New York, 1975)
Le processus de tarière

Le processus de base Auger commence par la suppression d'un électron atomique de la coquille interne pour former une vacance. Plusieurs processus sont capables de produire la vacance, mais le bombardement avec un faisceau d'électrons est le plus courant. La vacance de la couche interne est remplie par un second électron atomique provenant d'une couche supérieure. L'énergie doit être libérée simultanément. Un troisième électron, l'électron Auger, s'échappe avec un excès d'énergie dans un processus sans rayonnement. Le processus d'un ion excité se désintégrant en un ion doublement chargé par l'éjection d'un électron s'appelle le procédé Auger. Alternativement, un photon aux rayons X enlève l'énergie. Pour les éléments à faible nombre atomique, les transitions les plus probables se produisent lorsqu'un électron de niveau K est éjecté par le faisceau primaire, qu'un électron de niveau L tombe dans la vacance et qu'un autre électron de niveau L est éjecté. Les éléments de numéro atomique supérieur ont des transitions LMM et MNN plus probables que KLL.

Processus de rayons X de la théorie de la tarière

La figure illustre deux chemins concurrents pour la dissipation d'énergie avec le titane à titre d'exemple. L'énergie des électrons LMM Auger illustrée est d'environ 423 eV (EAuger = EL2 - EM4 - EM3) et l'énergie des photons X est d'environ 457.8 eV (Ehv = EL2 - EM4).

Effets de faisceaux d'électrons

Lorsque le faisceau d'électrons frappe la surface d'un échantillon, il produit une multitude d'interactions différentes. La diffusion élastique se produit lorsqu'un électron de haute énergie (1 à 30 keV) frappe un atome de l'échantillon et recule avec pratiquement toute son énergie. (L'équation du facteur cinématique RBS s'applique à cette situation et indique une perte d'énergie de 1 eV pour des électrons keN de 25 heurtant un atome de fer en surface et se diffusant à des degrés 180.) Le faisceau d'électrons perd de l'énergie lorsqu'il traverse le matériau, élargissant ainsi la distribution d'énergie des électrons rétrodiffusés. La diffusion inélastique se produit par plusieurs mécanismes lorsque l'électron primaire abandonne de plus grandes quantités d'énergie.

  • L'excitation des plasmons se produit avec une probabilité élevée, car le gaz d'électrons libres entre les noyaux ioniques absorbe de l'énergie. Les excitations typiques des plasmons impliquent le transfert d'environ 15 eV au solide.
  • L'excitation de la bande de conduction éjecte les électrons de conduction faiblement liés en tant qu'électrons secondaires. La plupart partent avec les énergies cinétiques de 0 à 50 eV.
  • Bremsstrahlung (de l'allemand pour «rayonnement de freinage») se produit lorsqu'un électron primaire subit une décélération dans le champ coulombique d'un atome. Le bremsstralung est constitué de photons X dont les énergies sont réparties entre l'énergie zéro et l'énergie primaire du faisceau.
  • L'excitation des oscillations du réseau (phonons) transfère une grande partie de l'énergie du faisceau à l'échantillon sous forme de chaleur.
  • L'ionisation de la couche interne laisse l'atome dans un état hautement énergétique tout en absorbant une grande quantité d'énergie électronique primaire. La désintégration de cet état excité produit des électrons Auger et des rayons X caractéristiques.
Volumes analytiques Auger

Les faisceaux d'électrons se dispersent en petits volumes, généralement d'environ un micron cube (1e-12 cc). Les rayons X sont émis par la majeure partie de ce volume. Les signaux de tarière proviennent de volumes beaucoup plus petits, jusqu’à environ 3e-19 cc.

Volumes analytiques Auger

Le volume analytique des rayons X augmente avec l’énergie du faisceau d’électrons et diminue pour les matériaux dont le numéro atomique est élevé. Le volume analytique Auger dépend du diamètre du faisceau et de la profondeur de sortie des électrons Auger. Les trajets libres moyens des électrons dépendent de leurs énergies et du matériau de l'échantillon. Le chemin libre moyen minimal (~ 0.5 nm) se situe autour de 80 eV. Dans des conditions analytiques pratiques, le libre parcours moyen augmente jusqu’à ~ 25 nm.

Spectroscopie Electronique Auger

La spectroscopie électronique Auger (AES) identifie les compositions élémentaires de surfaces en mesurant les énergies des électrons Auger. Un spectre Auger représente une fonction de l'intensité du signal électronique par rapport à l'énergie de l'électron. Les énergies Auger se situent entre les énergies des électrons secondaires du bas et les électrons rétrodiffusés du haut. Les électrons rétrodiffusés qui reculent avec 100% de leur énergie primaire forment le pic élastique.

Les termes secondaire et rétrodiffusé sont parfois définis dans la terminologie opérationnelle de la microscopie électronique à balayage (MEB). Les vrais électrons secondaires ont une énergie inférieure à ~ 50 eV. Ils peuvent être détectés avec le détecteur d'électrons secondaires SEM polarisé de + 50 à + 200 V. Tous les électrons avec trop d'énergie pour être piégés dans le détecteur d'électrons secondaires entrent dans la catégorie des rétrodiffuseurs.

Les électrons Auger commencent par des distributions d'énergie étroites, mais ils perdent rapidement de l'énergie lorsqu'ils passent à travers les matériaux. Les électrons Auger ne parviennent pas à émerger avec leurs énergies caractéristiques s’ils partent de plus profondes qu’environ 1 à 5 nm dans la surface. Ainsi, l'analyse Auger est spécifique à la surface. Les électrons Auger qui s’échappent plus profondément dans l’échantillon contribuent aux pertes de l’arrière-plan du spectre. Les électrons secondaires et rétrodiffusés ont une large distribution d'énergie qui se prolonge dans la région Auger. La somme de ces signaux d'interférence est beaucoup plus grande que les signaux Auger eux-mêmes. Les algorithmes d'affichage Auger utilisent la différenciation pour améliorer le signal par rapport aux interférences.

Utilisations de la tarière

La spectroscopie électronique Auger fournit des informations sur la composition de nombreux types de surfaces, films minces et interfaces. Les échantillons typiques comprennent à la fois des matériaux semi-conducteurs bruts et des dispositifs électroniques finis. Beaucoup de ces appareils sont constitués de couches minces. Par exemple, Auger peut faire la distinction entre Si, SiO2, SiO et Si3N4 dans une couche 10 nm sur une tranche de silicium.

Des volumes analytiques d'augmentation jusqu'à environ 3e-19 cc sont possibles. Il est courant d'analyser des petites caractéristiques individuelles dans des dispositifs électroniques finis ou partiellement finis. De nombreuses autres analyses s'appuient sur cette capacité microanalytique pour caractériser des matériaux hétérogènes. Par exemple, les analyses Auger des matériaux défaillants sont courantes. Les surfaces fracturées d'une pièce d'acier brisée pourraient être examinées pour détecter la présence d'éléments inhabituels tels que le plomb aux joints de grains métalliques. Contrairement à Auger, les techniques microanalytiques moins bien ciblées ne fournissent que des concentrations moyennes à partir de volumes d'analyse plus importants.

Limites de la tarière

Bien que très utile, Auger a des limites. Il ne peut pas détecter d'hydrogène ou d'hélium. Il ne prévoit pas de profils de profondeur non destructifs. Cela nécessite que les échantillons soient petits et compatibles avec le vide poussé. Des échantillons non conducteurs se chargent parfois sous un bombardement par faisceau d'électrons et ne peuvent simplement pas être analysés. La quantification élémentaire par Auger dépend de facteurs liés aux instruments, aux produits chimiques et aux échantillons.

Auger Electron Energies

L'analyse qualitative par spectroscopie électronique Auger dépend de l'identification des éléments responsables des différents pics du spectre. Les énergies des électrons Auger sont largement tabulées pour tous les éléments du tableau périodique. La figure montre les pics Auger les plus utiles dans les parties KLL, LMM et MNN du spectre, ainsi que les transitions les plus élevées pour les éléments situés au-dessus de césium. Les points rouges indiquent les pics les plus forts et les plus caractéristiques et les bandes vertes indiquent la structure approximative des pics moins intenses.

théorie de la tarière énergies des électrons
Quantification élémentaire

Les pics d'électrons Auger sont proportionnels aux concentrations d'éléments. Cependant, il est rarement possible de mesurer les concentrations à partir des premiers principes. Plusieurs facteurs instrumentaux influent sur les hauteurs des sommets Auger. Celles-ci incluent l'énergie du faisceau primaire, l'orientation de l'échantillon, la résolution de l'énergie et l'angle d'acceptation de l'analyseur.

Les états chimiques des éléments de l'échantillon influencent également le processus d'analyse élémentaire de Auger. L'intensité et la forme du pic varient, en particulier en fonction de l'état d'oxydation. Les changements de forme des pics sont importants lorsque la quantification procède à partir d’un affichage de données différentiel.

L'hétérogénéité des échantillons doit être prise en compte pour l'analyse quantitative. L'échantillon doit être homogène dans les directions latérales par rapport au diamètre du faisceau primaire pour que les mesures soient précises. Les signaux Auger proviennent d'un volume analytique qui dépend principalement du diamètre du faisceau primaire. Si le faisceau est plus étroit que l’échelle de l’hétérogénéité, des analyses significatives peuvent être effectuées sur les îles d’un échantillon. L'épaisseur du volume analytique est faible car Auger est extrêmement sensible à la surface. Par conséquent, la surface analysée peut ne pas être représentative du matériau en vrac. Par exemple, de nombreux échantillons de métal acquièrent une fine couche d’oxydes lorsqu’ils sont exposés à l’air. Malgré les considérations ci-dessus, la quantification des concentrations d'éléments est possible dans les cas où des facteurs de sensibilité relatifs ont été mesurés dans la même matrice d'échantillon.

Une analyse type Auger nécessite une quantification des éléments majeurs et mineurs. Cette plage de concentration correspond aux limites de détection analytiques Auger (1 à 0.01%). (En revanche, SIMS fournit généralement une quantification des éléments traces alors que les éléments principaux restent essentiellement constants.) Comme les concentrations de tous les éléments (y compris la matrice) peuvent varier dans une mesure Auger, il est nécessaire d'exprimer les concentrations en pourcentages (CE%) normalisés. par rapport à la somme de tous les autres.

La partie suivante de la procédure utilise la même logique que les RSF SIMS.

Quantification élémentaire The Auger Theory

En substituant le côté droit de l'équation de RSF aux concentrations (CE et CX) dans l'équation du haut (et en éliminant les termes actuels de la matrice du numérateur et du dénominateur), on obtient l'équation suivante. Ce format est la méthode la plus courante de quantification élémentaire par Auger. Cependant, il convient de noter que Auger RSF est souvent l'inverse de celles définies ici. (Ils doivent être incorporés par division dans le signal Auger plutôt que par multiplication.)

Quantification élémentaire Auger
Probabilités d'émission d'électrons Auger

L'électron Auger est l'électron final du processus d'émission Auger. Le faisceau d'excitation primaire élimine le premier électron d'un niveau central d'un atome d'analyte pour produire une vacance. Un deuxième électron tombe d'un niveau supérieur dans la vacance avec libération d'énergie. L'énergie résultante est emportée par l'électron Auger qui est éjecté d'un niveau d'énergie supérieur.

Profiling Profiling Profiling

Pour analyser les échantillons en profondeur, les instruments Auger intègrent la pulvérisation cathodique à faisceau ionique afin d’enlever les matériaux de la surface de l’échantillon. Un cycle d’un profil de profondeur typique consiste à pulvériser un petit incrément dans l’échantillon, à s’arrêter, à mesurer les portions pertinentes du spectre Auger et à utiliser l’équation de quantification élémentaire.

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.