1 .Образец, 2 . Энергоанализатор, 3 . Детектор, 4 . Источник рентгеновского излучения, 5 . Регистрирующее устройство

С помощью метода можно исследовать все элементы кроме водорода.

Помимо фотоэлектронных пиков, связанных с выходом электронов с соответствующих энергетических уровней, в фотоэлектронном спектре можно наблюдать оже-электронные пики (результат релаксации электронных вакансий, образовавшихся при выбивании фотоэлектронов) и так называемые сателлиты (пики фотоэлектронов, потерявших часть энергии вследствие взаимодействия с валентными электронами).

Важнейшей особенностью метода РФЭС является то обстоятельство, что фотоэлектронные пики подвержены существенным химическим сдвигам, т.е. энергия связи электронов зависит от химического окружения атома. Действительно, энергия электрона на внутренних оболочках определяется кулоновским взаимодействием с другими электронами и притягивающим потенциалом ядра. Чем больше электроотрицательность окружения, тем меньше электронная плотность, связанная с валентными электронами, и тем больше энергия связи электронов на внутренних оболочках. Эти сдвиги хорошо раличимы, их величина может достигать 8-12 эВ. Значения энергии связи для атомов, входящих в состав различных химических соединений, табулированы, что позволяет проводить химический (а не только атомарный) анализ образцов путем сравнения экспериментальных энергий связи с табличными значениями. РФЭС обеспечивает абсолютную чувствительность на уровне одной десятой монослоя (10^-6-10^-9 г). Хотя из-за разной элементной чувствительности определение количественного состава образцов путем сравнения интенсивности фотоэлектронных пиков для различных элементов затруднительно, однако сопоставление интенсивности фотоэлектронных пиков для одного и того же элемента в различных химических формах дает их точное соотношение в образце.

С использованием РФЭС можно исследовать как проводящие образцы, так и диэлектрики (в том числе, полимеры). В последнем случае особенно важно добиться компенсации заряда, накапливающегося на образце вследствие фотоэлектронного эффекта (заряжение образца приводит к изменению энергий связи). Для этого образец в процессе получения фотоэлектронного спектра дополнительно облучается потоком медленных электронов.

7. Методы исследования химического состава поверхности

7.1. Электронная оже-спектроскопия

Электронная оже-спектроскопия (ЭОС) в последнее вре­мя получила широкое распространение благодаря ряду пре­имуществ этого метода: возможность анализа тонких слоев (0,5 ... 2 нм), высокая локальность при исследовании рас­пределения элементов по поверхности (0,05 ... 1 мкм²), воз­можность получения информации о природе химических связей.

Принцип метода основан на использовании оже-процесса. Под действием первичного электронного пучка происхо­дит ионизация внутреннего электронного уровня в атоме (уровень К на рис. 42). Этот уровень заполняется элек­троном с уровня L₁ выделяющаяся при этом энергия пере­дается электрону, находящемуся на уровне L₂, который в качестве оже-электрона покидает анализируемый образец. Кинетическая энергия вышедшего электрона

E_k= E_K –E_L1 – E_L2- , (8.4)

где  — работа выхода анализирующего электрода спек­трометра.

Рассмотренный процесс является оже-переходом KL₁ L₂. Разумеется, могут быть и другие варианты оже-переходов. Оже-процесс не может быть реализован в водороде или гелии. В атомах остальных элементов ожс-переходы дают специфические энергии оже-электропов, по которым они идентифицируются. Существенно отметить, что в выраже­ние (8.4) не входит энергия первичного электрона.

Рисунок 42. Выход электронов из вещества в результате оже-процесса

Аналогично методу ЭСХА глубина зондирования вещества определяется длиной свободно­го пробега оже-электрона и составляет 0,5...2 нм. Участие атома в химической связи изменяет энергии уровней и соответственно энергии оже-электрона. Однако это изменение меньше, чем химический сдвиг, наблюдаемый при использовании метода ЭСХА. Объясня­ется это тем, что энергия оже-электрона определяется энергией трех уровней, каждый из которых изменяется под влиянием химической связи. Раз­ность этих изменений оказывается меньше, чем изменение одного внешнего уровня, который проявляется в ЭСХА. Влияние химической связи на энергию оже-электрнов поз­воляет в ряде случаев определять природу химических свя­зей в веществе, но с меньшей точностью и достоверностью, чем при использовании ЭСХА.

Большим преимуществом оже-спектроскопии является возможность локализовать первичный пучок электронов и довести поверхностное разрешение до 0,05 ... 1 мкм². При­менение сканирования пучка позволяет просмотреть оже-электронах большие площади с высоким разрешением. Чув­ствительность метода ЭОС близка к методу ЭСХА и состав­ляет 0,1 ...0,01% ат. Соответственно пересчитанные по­роговые поверхностные и объемные плотности исследуе­мых атомов составляют 5*10¹⁰ ... 5*10¹² и 10¹⁸ ... 10¹⁹ ато­мов/см³.

Для количественного анализа с использованием ЭОС необходимо проводить калибровку прибора с помощью эталонных образцов, содержащих известное количество атомов исследуемого элемента. При этом желательно, чтобы матрица, в которой располагаются эти атомы, совпадала с анализируемым образцом. Следует отметить, что при бом­бардировке образца электронами (особенно большая плот­ность тока реализуется при локальном оже-анализе) в ис­следуемом веществе могут происходить изменения, связан­ные как с термическими процессами, так и с непосредствен­ным воздействием первичных электронов. Это обстоятель­ство необходимо учитывать при анализе оже-спектров.

7.1.1. Функциональная схема аппаратуры

Установка для оже-электропной спектроскопии состоит из эле­ктронной пушки, энергоанализатора оже-электронов, регистрирую­щей аппаратуры и вакуумной системы. Электронная пушка обеспе­чивает фокусировку электронного пучка на образце и в современ­ных установках его сканирование. Диаметр пучка в установках с ло­кальным оже-апализом составляет 0,07... 1 мкм. Энергия первичных электронов изменяется в пределах 0,5...30 кэВ. В установках оже-спектроскопии обычно в качестве энергоанализатора употребляется анализатор типа цилиндрического зеркала. Регистрирующее уст­ройство с помощью двухкоординатного самописца фиксирует зависимость dN / dE_К от E_K, где N — число электронов, попада­ющих на коллектор; E_K — кинетическая энергия оже-электронов.

Вакуумная система установки ЭОС должна обеспечивать давле­ние не более 10^-7...10^-8 Па. При худшем вакууме остаточные газы взаимодействуют с поверхностью образца и искажают анализ.

Поскольку коэффициент вторичной электронной эмиссии часто отличен от единицы, плохо проводящие образцы могут заряжаться при анализе, потенциал образца может изменить кинетические энер­гии оже-электронов. Для уменьшения зарядки образца обычно в ус­тановках ЭОС предусматривается источник медленных электронов. Для снятия распределения элементов по глубине в установках име­ется ионное травление образца.

Из отечественных установок ЭОС следует отметить растровый оже-спектромстр 09 ИОС-10-005 с локальностью в растровом режиме 10 мкм. Из зарубежных установок широкое распространение полу­чили приборы РНI-595 фирмы Physical Electr. Div. (ФРГ) и J AMP-10 фирмы JEOL (Япония) с локальностью в растровом режиме 50 нм.

7.1.1. Применение ЭОС для исследования полупроводниковых структур

Специфические особенности ЭОС — высокая локальность в плане и по глубине образца — особенно полезны для ана­лиза поверхностных микровключений, исследования соста­ва тонких пленок в окнах малого размера и поверхностных загрязнений. Изучение возможности применения ЭОС для получения профиля распределения примесей в диффузионных слоях показало, с одной стороны, хорошее разреше­ние ЭОС по глубине, отсутствие перераспределения приме­сей при анализе, с другой — относительно небольшую чув­ствительность по концентрации. Порог чувствительности для фосфора, бора и мышьяка в кремнии составляет соот­ветственно 5*10¹⁹, 1*10²⁰, 1*10¹⁹ см-³. Эти особенности ме­тода делают целесообразным применение ЭОС для анализа сравнительно мелких распределений примеси с достаточно большой концентрацией. К распределениям такого типа от­носятся распределения примесей непосредственно после ионной имплантации, а также после первой стадии диффузии (загонки).

Возможность использования режима сканирования поз­воляет с помощью ЭОС получать информацию о химиче­ском составе фрагментов микроэлектронных устройств.