Применение электронной спектроскопии в исследовании

Методы электронной оже-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии в настоящее время наиболее широко применяются для количественного определения атомных концентраций элементов, находящихся на поверхности. Основой количественного анализа является тот факт, что интенсивность соответствующего оже-пика или фотоэлектронного пика данного элемента пропорциональна концентрации этого элемента на поверхности. Для количественного анализа в ЭОС и РФЭС используют одни и те же подходы: вычисление интенсивности электронного пика, использование эталонных образцов, учет матричных поправок и т.д. Рассмотрим в этом разделе применение электронной оже- спектроскопии для количественного элементного анализа.

Электронная оже-спектроскопия и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия широко применяются для изучения механизмов роста тонких пленок in situ. В этом случае исследуют характеристики пиков оже-переходов (ЭОС) или пиков фотоэлектронов (РФЭС) атомов подложки и пленки в зависимости от степени покрытия подложки материалом пленки. Метод исследования основан на том факте, что число электронов, дающих вклад в интенсивность соответствующей линии спектра, зависит от расположения атомов материала, через который эти электроны проникают после того, как они покинут атомы подложки или адсорбированной пленки. Независимо от способа возбуждения интенсивность сигнала I, прошедшего сквозь пленку, зависит от средней длины свободного пробега электронов при определенной энергии и количества материала, через который они проходят. В зависимости от механизма роста интенсивности сигналов от пленки и подложки будет по-разному зависеть от степени покрытия пленкой подложки.

Высокая поверхностная чувствительность методов электронной спектроскопии, позволяющая зондировать только верхние очень тонкие слои поверхности, дает возможность использовать эти методы для трехмерного анализа, обладающего высоким пространственным разрешением в направлении, перпендикулярном поверхности. Такой анализ, часто называемый послойным или профилированием по глубине, находит широкое применение при технологическом контроле мультислойных полупроводниковых и магнитных структур, интегральных микросхем, различных покрытий и др.

Методы, применяемые для послойного анализа, зависят от соотношения толщины исследуемого слоя и длины свободного пробега электронов. Когда глубина профилирования сопоставима с длиной свободного пробега электронов, применяют неразрушающие методы послойного анализа, основанные на том, что длина свободного пробега регистрируемых электронов существенно зависит от их кинетической энергии. Для электронов с энергией 100 и 2000 эВ средняя длина свободного пробега увеличивается приблизительно в 6 раз. В ряде случаев энергию регистрируемых электронов можно изменять, варьируя кинетическую энергию первичных электронов. Энергия электронных пиков, например, обусловленных потерями энергии на ионизацию внутренних уровней атомов, смещаются в электронном спектре вместе с упругим пиком. С ростом энергии первичных электронов в этом случае увеличивается информация по глубине.

Другая возможность неразрушающего послойного анализа связана с измерением зависимости сигнала от угла регистрации эмитированных электронов. Идея этого метода связана с тем, что при регистрации вторичных электронов, эмитированных под углом j относительно нормали к поверхности образца вместо средней длины свободного пробега электронов в образце необходимо учитывать «эффективную» глубину выхода, которая, очевидно, равна

. (1)

Применение этого метода ограничено специальными требованиями к аппаратуре и связано с необходимостью изменения угла регистрации эмитированных электронов.

Для профилирования слоев, толщина которых значительно превышает среднюю длину свободного пробега электронов, необходимо применять разрушающие методы послойного анализа. Для достаточно большой глубины профилирования (порядка нескольких микрон) используют метод косого шлифа или его модификации. Универсальным разрушаемым методом послойного анализа является сочетание одного из методов электронной спектроскопии, например, электронной оже-спектроскопии или рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с ионным травлениям. Для этого практически все электронные спектрометры снабжены ионной пушкой, которая позволяет не только очищать поверхность от посторонних примесей, но и производить профилирование по глубине.

Эффективность процесса ионного распыления определяется количественной характеристикой – коэффициентом распыления Y, который равен числу распыленных атомов на один падающий ион. Коэффициент распыления зависит от сорта ионов и распыляемых атомов, состояния мишени (для монокристаллических и поликристаллических поверхностей и даже для поверхностей различной кристаллографической ориентации коэффициент распыления существенно отличается). Зависимость коэффициента распыления от сорта атомов мишени приводит к существенному недостатку этого способа послойного анализа – избирательному травлению, сопровождающемуся постепенным обогащением поверхности одним из элементов.

Конечной информацией, получаемой при послойном анализе, является зависимость концентрации элементов, составляющих исследуемую слоистую структуру от глубины. Для решения этой задачи необходимо не только получить, измеряемый методами электронной спектроскопии, профиль концентраций, но и, учитывая искажения этого профиля в результате ионного травления, выявить первоначально существовавший профиль концентраций.