オージェチュートリアル:理論

オージェ電子分光法(AES) オージェ電子のエネルギーを測定することによって表面の元素組成を識別します。 オージェ電子放出は、試料に電子ビームを照射することによって刺激される。 オージェ電子エネルギーは、電子が由来する元素に特有のものです。 オージェ電子分光法は、表面、薄膜、および界面の分析に広く使用されている方法です。

両方とも日付が付けられていますが、2つの良い参考書は以下の通りです:

  • 光電子とオージェ分光法、TA Carlson(プレナムプレス、ニューヨーク、1975)
  • 表面分析法、AW Czanderna、ed。 (Elsevier、ニューヨーク、1975)
オーガプロセス

基本的なオージェ過程は、空孔を形成するための内殻原子電子の除去から始まる。 いくつかのプロセスが空孔を生成することができるが、電子ビームによる衝撃が最も一般的である。 内殻空孔は、より高い殻からの第二原子電子によって満たされる。 同時にエネルギーを放出する必要があります。 3番目の電子、オージェ電子は、無放射過程で過剰なエネルギーを運んで逃げる。 電子の放出によって励起イオンが二価イオンに崩壊する過程はオージェ過程と呼ばれる。 あるいは、X線光子がエネルギーを除去する。 原子番号の小さい元素では、Kレベルの電子が一次ビームによって放出され、Lレベルの電子が空孔に落ち、もう1つのLレベルの電子が放出されるときに、最も可能性の高い遷移が起こります。 より高い原子番号の元素は、KLLよりもありそうなLMMとMNNの遷移を持っています。

オージェ理論X線プロセス

この図は、例としてチタンを使用したエネルギー散逸の423つの競合するパスを示しています。 示されているLMMオージェ電子エネルギーは約2eV(EAuger = EL4 – EM3 – EM457.8)であり、X線光子エネルギーは約2 eV(Ehv = EL4 – EMXNUMX)です。

電子ビーム効果

電子ビームが試料表面に衝突すると、それは多種多様な相互作用を生み出す。 弾性散乱は、高エネルギーの電子(1から30 keV)がサンプル原子に衝突し、そのエネルギーのほぼすべてで反跳するときに発生します。 (RBSキネマティックファクターの式はこの状況に適用され、表面の鉄原子に衝突して1度で散乱する25 keVの電子に対する180 eVのエネルギー損失を示します。)電子ビームは、材料を通過するにつれてエネルギーを失い、それによって広がります。後方散乱電子のエネルギー分布 非弾性散乱は、一次電子がそのエネルギーを大量に放棄するときにいくつかのメカニズムによって発生します。

  • プラズモン励起は、イオン性コア間の自由電子ガスがエネルギーを吸収するときに高い確率で発生する。 典型的なプラズモン励起は、およそ15 eVの固体への移動を伴う。
  • 伝導帯励起は、緩く束縛された伝導電子を二次電子として放出する。 大多数は0から50 eVへの運動エネルギーを残します。
  • 制動放射(ドイツ語で「制動放射」を意味する)は、一次電子が原子のクーロン場で減速するときに発生します。 bremsstralungは、エネルギーがゼロと一次ビームエネルギーの間に広がるX線光子で構成されています。
  • 格子振動(フォノン)の励起は、ビームエネルギーのかなりの部分を熱として試料に伝達する。
  • 内殻イオン化は、大量の一次電子エネルギーを吸収しながら、原子を高エネルギー状態にする。 この励起状態の崩壊は特徴的なオージェ電子とX線を生成します。
オージェ分析量

電子ビームは、典型的には約1立方ミクロン(1e-12 cc)の小体積に分散する。 この体積の大部分からX線が放出されます。 オージェ信号は、約3e-19 ccまで、はるかに小さい音量で発生します。

オージェ分析量

X線分析体積は、電子ビームエネルギーと共に増加し、そしてより高い原子番号を有する材料については減少する。 オージェ分析体積はビーム径とオージェ電子の脱出深さに依存する。 電子の平均自由行程は、それらのエネルギーとサンプル材料に依存します。 最小平均自由行程(〜XNUMX nm)は約X NUMX eVで生じる。 実際の分析条件下では、平均自由行程は最大約0.5 nmまで増加する。

オージェ電子分光法

オージェ電子分光法(AES)は、オージェ電子のエネルギーを測定することによって表面の元素組成を識別する。 オージェスペクトルは、電子信号強度対電子エネルギーの関数をプロットする。 オージェエネルギーは、ローエンドでの二次電子エネルギーとハイエンドでの後方散乱電子エネルギーとの間にある。 それらの一次エネルギーの100%で反跳するこれらの後方散乱電子は弾性ピークを形成する。

二次および後方散乱という用語は、走査型電子顕微鏡(SEM)の操作用語で定義されることがある。 真の二次電子は、〜X NUMX eV未満のエネルギーを有する。 それらは、+ X NUMXから+ X NUMX VにバイアスされたSEM二次電子検出器で検出することができる。二次電子検出器に捕捉されるには多すぎるエネルギーを有する全ての電子は、後方散乱カテゴリに入る。

オージェ電子は狭いエネルギー分布で始まりますが、物質を通過するとすぐにエネルギーを失います。 オージェ電子は、それらが約XNUMXからXNUMXnmよりも深いところから表面に入ってくると、それらの固有のエネルギーで出現することができない。 したがって、オージェ分析は表面特異的です。 サンプルの深部から逃げるオージェ電子は、スペクトルのバックグラウンドの損失テールに寄与します。 二次電子および後方散乱電子は、オージェ領域に広がる広いエネルギー分布を有する。 これらの干渉信号の合計は、オージェ信号自体よりはるかに大きくなります。 オージェ表示アルゴリズムは微分を使用して干渉に対する信号を強調します。

オージェの使用

オージェ電子分光法は、多くの種類の表面、薄膜、および界面に関する組成情報を提供します。 典型的なサンプルは、生の半導体材料と完成した電子デバイスの両方を含みます。 これらの装置の多くは薄層からなる。 たとえば、Augerは、シリコンウェハ上の2 nm層で、Si、SiO3、SiO、およびSi4N10を区別できます。

約3e-19 ccまでのオーガー分析容量が可能です。 完成したまたは部分的に完成した電子装置内の個々の小さな特徴を分析することは一般的である。 他の多くの分析は、不均一材料を特徴付けるためのこの微量分析能力に依存しています。 たとえば、破損した材料のオージェ分析は一般的です。 破断した鋼片の破面は、金属粒界に鉛などの異常な元素が存在するかどうか調べることができます。 Augerとは対照的に、あまり精細ではない微量分析技術では、より大きな分析容量からの平均濃度しか得られません。

オージェの制限

広く有用ではありますが、Augerには制限があります。 水素やヘリウムは検出できません。 それは非破壊的な深さプロファイルを提供しません。 サンプルが小さく、高真空に対応している必要があります。 非導電性サンプルは電子ビーム衝撃下で帯電することがあり、単純に分析することはできません。 Augerによる元素定量は、機器、化学、およびサンプルに関連する要因によって異なります。

オージェ電子エネルギー

オージェ電子分光法による定性分析は、スペクトルの様々なピークの原因となる元素の同定に依存します。 オージェ電子エネルギーは、周期表のすべての元素に対して広く表にされている。 この図は、スペクトルのKLL、LMM、MNN部分の最も有用なオージェピークと、セシウムより上の元素のより高い遷移を示しています。 赤い点は最も強く最も特徴的なピークを示し、緑色の帯は強度の低いピークの大まかな構造を示します。

オージェ理論電子エネルギー
元素定量

オージェ電子のピークは元素濃度に比例します。 しかし、第一原理から濃度を測定することはほとんど不可能です。 いくつかの機器的要因がオージェピークの高さに影響を与えます。 これらには、一次ビームエネルギー、サンプルの向き、および分析装置のエネルギー分解能と許容角度が含まれます。

サンプル中の元素の化学状態も、Augerによる元素分析のプロセスに影響を与えます。 ピーク強度とピーク形状の両方が、特に酸化状態の関数として変化する。 定量が差動データ表示から行われる場合、ピーク形状の変化は重要です。

定量分析のためには、サンプルの不均一性を考慮する必要があります。 測定が正確であるためには、サンプルは一次ビーム直径に対して横方向に均一であるべきである。 オージェ信号は、主に一次ビームの直径に依存する分析体積から生じる。 ビームが不均一性のスケールよりも狭い場合は、サンプル内の島で意味のある分析を行うことができます。 Augerは表面感度が高いため、分析ボリュームの厚さは薄くなります。 従って、分析された表面はバルク材料を代表しないかもしれない。 例えば、多くの金属サンプルは空気にさらされると薄い酸化物コーティングを得ます。 上記の考察にもかかわらず、相対感度係数が同じサンプルマトリックスで測定されている場合には、元素濃度の定量化が可能です。

典型的なオージェ分析では、主要元素と微量元素の定量化が必要です。 この濃度範囲は、オージェ分析検出限界(1から0.01%)と一致しています。 (対照的に、SIMSは通常微量元素の定量化を行いますが、主要元素は本質的に一定のままです。)すべての元素(マトリックスを含む)の濃度はオージェ測定では変わる可能性があるので正規化されたパーセントとして表示する必要があります。他のすべてのものの合計に対する相対。

手順の次の部分では、SIMS RSFと同じロジックを使用します。

オージェ理論元素定量化

RSF式の右辺を上式の濃度(CEとCX)に代入すると(分子と分母から行列電流項を削除すると)、次の式が得られます。 このフォーマットは、Augerによる元素定量のための最も一般的な方法です。 ただし、Auger RSFは、ここで定義されているものの逆数であることが多いことに注意してください。 (それらは乗算ではなく分割によってオージェ信号に組み込まれなければならない。)

オージェ元素定量
オージェ電子放出確率

オージェ電子はオージェ放出過程における最終電子である。 一次励起ビームは、空孔を生成するために検体原子のコアレベルから第一電子を除去する。 2番目の電子はエネルギーの放出とともにより高い準位から空格子点に落ちます。 結果として生じるエネルギーは、より高いエネルギーレベルから放出されるオージェ電子によって運び去られる。

オーガ深さプロファイリング

サンプルを詳細に分析するために、Auger装置はサンプル表面から材料を除去するためにイオンビームスパッタリングを組み込んでいます。 典型的な深さプロファイルの1サイクルは、サンプルに少しずつインクリメントすること、停止すること、オージェスペクトルの関連部分を測定すること、および元素定量化のための方程式を使用することからなる。

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