Глава 3. Ожэ-электронная спектроскопия
3.1. Общие замечания и историческая справка
Метод оже-электронной спектроскопии (Auger Electron Spectroscopy) основан на оже-эффекте, названном в честь французского физика Пьера Оже (Pierre Auger), обнаружившего данный эффект в
1925 г. (рис.3.1)
Рис.3.1. Пьер Оже (1899-1993), французский физик, в честь которого был назван оже-эффект1)
Метод идентификации поверхностных примесей, основанный на регистрации возбуждаемых электронным пучком оже-электронов, был предложен в 1953 г. С 1968 г. для повышения чувствительности данного метода стали использовать дифференциальные ожеэлектронные спектры.
Отличительными особенностями метода ОЭС являются:
-поверхностная чувствительность метода;
-чувствительность к химическому состоянию элементов;
-возможность сканирования образца сфокусированным электронным пучком, позволяющая получать карту распределения элементов по поверхности образца (оже-электронная микроскопия) с субмикронным разрешением (в совокупности с послойным ионным травлением можно также получить трехмерную карты распределения элементов в поверхностных слоях образца);
129
- использование анализаторов электронов типа цилиндрического зеркала, обладающих большей чувствительностью по сравнению с другими типами анализаторов.
3.2.Физические основы ОЭС
Воснове методики ОЭС лежат следующие процессы:
1)ионизация остовных электронных уровней первичным электронным пучком с энергией E p и интенсивностью I p (так назы-
ваемым электронным ударом);
2)оже-рекомбинация (т.е. безызлучательный, jkl оже-переход);
3)эмиссия оже-электрона с кинетической энергией KE jkl ;
4)регистрация энергетического спектра оже-электронов, покинувших образец.
Схематически последовательность данных процессов показана на рис.3.2
Рис.3.2. Схема оже-перехода KL23 L23 [17]
Как уже упоминалось выше, оже-переход представляет собой электронный переход с участием трех электронных уровней: ионизованного первичным электронным пучком уровня j, уровня k, с которого происходит переход электрона на вакантное место на уровне j, и уровень l, с которого происходит эмиссия оже-
130
электрона, уносимого выделяющуюся в результате электронного перехода k → j энергию. В этом случае говорят о jkl оже-
переходе. Для обозначения оже-переходов используют рентгеновские обозначения электронных уровней, участвующих в переходе.
Так, оже-переход электрона с уровня k = 2 p1/ 2 на ионизованный
уровень j =1s |
с эмиссией электрона с уровня l = 3d обозначается |
как KL2 M 45 |
оже-переход (здесь индекс 45 обозначает участие |
электронов с обоих уровней спин-орбитального дублета 3d3 / 2,5 / 2 ).
В общем виде оже-электронные переходы с участием остовных уровней обозначают как ССС, а с участием валентных – CCV и CVV.
Для ионизации остовного уровня с энергией связи BE j необходимо выполнение энергетического условия E p ≥ BE j . В принципе,
для оже-перехода не важно, каким образом происходит ионизация остовного уровня. Поэтому, в соответствии со способом ионизации различают оже-электронную спектроскопию (ионизация электронным пучком), возбуждаемую рентгеновским излучением ожеспектроскопию (фотоионизация), ионную оже-спектроскопию (ионизация ионным пучком).
Преимущества использования электронного пучка:
1)простота получение электронного пучка нужной энергии Ep ~ 1.5 ÷5.0 кэВ и интенсивностью I p ~ 1÷100 μА;
2)возможность фокусировки электронного пучка (до единиц микрон) и сканирования им поверхности образца, позволяющая получать информацию о локальном элементном составе образца (ожеэлектронная микроскопия).
Вобщем случае, рекомбинация образовавшейся остовной дырки может быть либо излучательной (т.е. сопровождаться эмиссией характеристического рентгеновского излучения), либо безызлучательной (т.е. сопровождаться эмиссией оже-электрона). Вероятность излучательной и безызлучательной рекомбинации зависит от энергии связи остовного уровня. Излучательная рекомбинация
131
преобладает при энергии ионизации (энергии связи) BE j >10 кэВ.
При этом энергия эмитированного рентгеновского излучения составляет единицы и десятки килоэлектронвольт, а глубина выхода – единицы микрон. Таким образом, хотя положение линий характеристического рентгеновского излучения однозначно определяется элементным составом образца, рентгеновская эмиссионная спектроскопия (или рентгеновский микроанализ) не является поверхностным методом, поскольку дает информацию об интегральном элементном составе поверхностных слоев образца толщиной в едини-
цы микрон. Безызлучательная или оже-рекомбинация наиболее вероятна для уровней с BE j <10 кэВ. При этом кинетическая
энергия оже-электронов составляет KE jkl ~ 1 кэВ, а их длина про-
бега в материале образца – единицы нанометров. Таким образом, ОЭС является поверхностной методикой.
На рис.3.3 представлена зависимость вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации от атомного номера элемента Z для К-оболочки [19]. Из рисунка видно, что для элемен-
тов с Z < 20 , что соответствует энергии BE j < 2 кэВ, вероятность
оже-рекомбинации много больше вероятности излучательной рекомбинации. Аналогичная зависимость имеет место и для других электронных оболочек.
Рис.3.3. Зависимость вероятности излучательной (флюоресценция) и безызлучательной (оже-эмиссия) рекомбинации от атомного номера элемента для К- оболочки [19]
132