Auger 교육자료 : 분석이론

오제 전자 분광법 (AES) Auger 전자의 에너지를 측정하여 표면의 원소 조성을 확인합니다. Auger 전자 방출은 전자 빔으로 샘플을 충돌시킴으로써 자극됩니다. Auger 전자 에너지는 전자가 오는 원소의 특성입니다. Auger 전자 분광법은 표면, 박막 및 인터페이스 분석을위한 광범위한 방법입니다.

둘 다 날짜가 있지만 두 권의 좋은 참고서는 다음과 같습니다.

  • 광전자 및 오거 분광법, TA Carlson (Plenum Press, New York, 1975)
  • 표면 분석 방법, AW Czanderna, ed. (Elsevier, New York, 1975)
오거 처리

기본적인 오거 공정은 내부 쉘 원자 전자를 제거하여 공극을 형성하는 것으로 시작합니다. 몇 가지 공정이 공석을 생성 할 수 있지만 전자빔을 이용한 폭격이 가장 일반적입니다. 내부 껍질 공극은 더 높은 껍질에서부터 두 번째 원자 전자로 채워진다. 에너지는 동시에 방출되어야한다. 세 번째 전자 인 Auger 전자는 방사능이없는 과정에서 초과 에너지를 방출합니다. 전자의 방출에 의해 이중으로 하전 된 이온으로 붕괴되는 여기 이온의 과정을 오제 (Auger) 과정이라고합니다. 또는, X 선 광자가 에너지를 제거합니다. 낮은 원자 번호 요소의 경우, 가장 가능성있는 전환은 K 레벨 전자가 기본 빔에 의해 방출되고 L 레벨 전자가 빈자리로 떨어지며 또 다른 L 레벨 전자가 방출 될 때 발생합니다. 더 높은 원자 번호 요소는 KLL보다 가능성이 높은 LMM 및 MNN 전환을가집니다.

Auger 이론 X 선 과정

이 그림은 티타늄을 예로 들어 에너지 소산에 대한 두 가지 경쟁 경로를 보여줍니다. 예시 된 LMM Auger 전자 에너지는 ~ 423eV (EAuger = EL2 – EM4 – EM3)이고 X 선 광자 에너지는 ~ 457.8eV (Ehv = EL2 – EM4)입니다.

전자빔 효과

전자빔이 시료 표면에 닿으면 과다한 상호 작용을 일으 킵니다. 탄력있는 산란은 고 에너지 전자 (1에서 30 keV)가 샘플 원자를 공격하고 본질적으로 모든 에너지로 반동 할 때 발생합니다. (RBS 운동학 인자 방정식은이 상황에 적용되며 1 keV 전자가 표면 철 원자에 부딪 치고 25 각도에서 뒤쪽으로 산란하는 경우 180 eV의 에너지 손실을 나타냄). 전자 빔은 재료를 통과 할 때 에너지를 잃어 후방 산란 전자의 에너지 분포. 비탄성 산란은 1 차 전자가 더 많은 양의 에너지를 방출하므로 여러 메커니즘에 의해 발생합니다.

  • 플라스 몬 여기 (Plasmon excitation)는 이온 코어 사이의 자유 전자 가스가 에너지를 흡수하므로 높은 확률로 발생합니다. 전형적인 플라즈몬 여기에는 15 eV 주위를 고체로 옮기는 과정이 포함됩니다.
  • 전도대 여기는 느슨하게 결합 된 전도 전자를 2 차 전자로 방출합니다. 대다수는 0에서 50 eV 운동 에너지로 출발합니다.
  • Bremsstrahlung (독일어에서 "제동 방사선"을 의미 함)은 XNUMX 차 전자가 원자의 쿨롱 장에서 감속을 겪을 때 발생합니다. 브렘 스트 랄룽은 XNUMX과 XNUMX 차 빔 에너지 사이에 에너지가 분산 된 X 선 광자로 구성됩니다.
  • 격자 발진의 흥분 (포논)은 빔 에너지의 상당 부분을 열로 시료로 전달합니다.
  • 내부 껍질 이온화는 많은 양의 1 차 전자 에너지를 흡수하면서 높은 에너지 상태의 원자를 떠난다. 이 여기 상태의 붕괴는 독특한 Auger 전자와 X-ray를 생성합니다.
오거 분석 용적

전자 빔은 일반적으로 약 1 입방 미크론 (1e-12 cc)의 작은 부피로 분산됩니다. 이 볼륨의 대부분에서 X 레이가 방출됩니다. Auger 신호는 3e-19 cc 정도의 매우 작은 볼륨에서 발생합니다.

오거 분석 용적

X- 선 분석 체적은 전자빔 에너지에 따라 증가하고 더 높은 원자 번호를 갖는 물질에 대해 감소합니다. Auger 분석 체적은 빔 직경과 Auger 전자의 도피 깊이에 따라 달라집니다. 전자의 평균 자유 경로는 에너지 및 시료 물질에 따라 달라집니다. 최소 평균 자유 경로 (~ 0.5 nm)는 약 80 eV에서 발생합니다. 실제 분석 조건에서 평균 자유 경로는 ~ 25 nm만큼 증가합니다.

Auger 전자 분광학

Auger electron spectroscopy (AES)는 Auger 전자의 에너지를 측정하여 표면의 원소 조성을 확인합니다. Auger 스펙트럼은 전자 신호 강도 대 전자 에너지의 함수를 나타냅니다. 오거 에너지는 하이 엔드의 로우 엔드 및 반사 전자 에너지에서 2 차 전자 에너지 사이에 떨어집니다. 1 차 에너지의 100 %로 반동하는 반사 된 전자가 탄성 피크를 형성합니다.

보조 및 후방 산란이라는 용어는 때때로 주사 전자 현미경 (SEM)의 작동 용어로 정의됩니다. 진정한 2 차 전자는 ~ 50 eV 미만의 에너지를 갖는다. 이들은 + 50에서 + 200 V로 바이어스 된 SEM 2 차 전자 검출기로 검출 될 수있다. 2 차 전자 검출기에 포획되는 너무 많은 에너지를 갖는 모든 전자는 후방 산란 카테고리에 속한다.

Auger 전자는 좁은 에너지 분포로 시작하지만 물질을 통과 할 때 곧 에너지를 잃습니다. Auger 전자는 표면에서 1보다 5 nm 정도 깊은 곳에서 시작하면 특성 에너지로 나타나지 않습니다. 따라서 오거 분석은 표면 특성입니다. 샘플에서 더 멀리 벗어나는 오제 전자는 스펙트럼 배경에 손실 테일을 발생시킵니다. 2 차 및 후방 산란 전자는 Auger 영역으로 끝나는 넓은 에너지 분포를 갖는다. 이러한 간섭 신호의 합은 Auger 신호 그 자체보다 훨씬 큽니다. 오거 디스플레이 알고리즘은 신호를 간섭에 상대적으로 향상시키기 위해 차별화를 사용합니다.

Auger의 용도

오제 전자 분광법 (Auger electron spectroscopy)은 많은 종류의 표면, 박막 및 인터페이스에 대한 조성 정보를 제공합니다. 일반적인 시료에는 원재료 인 반도체 재료와 완제품 전자 장치가 모두 포함됩니다. 이러한 장치의 대부분은 얇은 레이어로 구성됩니다. 예를 들어 Auger는 실리콘 웨이퍼상의 2 nm 레이어에서 Si, SiO3, SiO 및 Si4N10을 구별 할 수 있습니다.

약 3e-19 cc까지 오제 분석량이 가능합니다. 완성 된 전자 장치 또는 부분적으로 완성 된 전자 장치 내의 개별적인 작은 피쳐를 분석하는 것이 일반적입니다. 많은 다른 분석은 이질적인 물질을 특성화하기위한이 미량 분석 능력에 의존합니다. 예를 들어, 실패한 재료의 Auger 분석이 일반적입니다. 파손 된 강철 조각의 파손 된 표면은 금속 입자 경계에서 납과 같은 비정상적인 요소가 존재하는지 검사 할 수 있습니다. Auger와는 대조적으로 미세 미량 분석 미세 분석 기술은 더 큰 분석 용적의 평균 농도만을 제공합니다.

오거의 한계

널리 사용 되긴하지만, Auger에는 한계가 있습니다. 그것은 수소 또는 헬륨을 검출 할 수 없다. 비파괴 깊이 프로파일을 제공하지 않습니다. 샘플이 작고 고진공과 호환되어야합니다. 비전 도성 샘플은 때때로 전자 빔 충격 하에서 충전되어 단순히 분석 할 수 없습니다. Auger에 의한 원소 정량은 도구, 화학, 표본 관련 요인에 달려 있습니다.

Auger Electron Energies

오제 (Auger) 전자 분광학에 의한 정성 분석은 스펙트럼의 다양한 피크를 담당하는 원소의 확인에 달려 있습니다. Auger 전자 에너지는 주기율표의 모든 원소에 대해 광범위하게 표로 만들어져있다. 이 그림은 스펙트럼의 KLL, LMM 및 MNN 부분에서 가장 유용한 Auger 피크와 세슘 위의 원소에 대한 더 높은 전이를 보여줍니다. 빨간색 점은 가장 강하고 가장 특징적인 피크를 나타내고 녹색 점은 덜 강한 피크의 거친 구조를 나타냅니다.

오거 이론 전자 에너지
원소 정량

오제 전자 피크는 원소 농도에 비례합니다. 그러나 제 1 원칙에서 농도를 측정하는 것은 거의 불가능합니다. 오스 커 피크 높이에는 여러 가지 요인이 영향을줍니다. 여기에는 1 차 빔 에너지, 샘플 방향, 분석기의 에너지 분해능 및 허용 각도가 포함됩니다.

샘플에있는 원소의 화학적 상태도 Auger의 원소 분석 과정에 영향을 미친다. 피크 강도 및 피크 모양 모두가 특히 산화 상태의 함수로서 다양합니다. 피크 모양의 변경은 차동 데이터 표시에서 정량이 진행될 때 중요합니다.

정량 분석을 위해서는 표본 이질성을 고려해야합니다. 샘플은 정확한 측정을 위해 1 차 빔 직경을 기준으로 횡 방향으로 균질해야합니다. Auger 신호는 주로 1 차 빔의 직경에 의존하는 분석 체적에서 발생합니다. 빔이 이질성의 척도보다 좁 으면 표본 내의 섬에서 의미있는 분석을 수행 할 수 있습니다. Auger는 표면 민감성이 높기 때문에 분석 용적의 두께가 작습니다. 따라서 분석 된 표면은 벌크 물질을 대표하지 않을 수 있습니다. 예를 들어, 많은 금속 샘플은 공기에 노출되면 얇은 산화물 코팅을 얻습니다. 위의 고려 사항에도 불구하고 원소 농도의 정량화는 동일한 샘플 매트릭스에서 상대 감도 인자가 측정 된 경우 가능합니다.

전형적인 Auger 분석에는 주 원소와 부 원소의 정량화가 필요합니다. 이 농도 범위는 Auger 분석 검출 한계 (1에서 0.01 %)와 일치합니다. 대조적으로, SIMS는 대개 미량 원소의 정량화를 제공하지만 주요 원소는 본질적으로 일정하게 유지됩니다. 오제 측정에서 모든 원소의 농도 (매트릭스 포함)가 다를 수 있기 때문에 표준화 된 백분율 (CE %)로 농도를 표현할 필요가 있습니다 다른 모든 것의 합계에 비례하여

절차의 다음 부분은 SIMS RSF와 동일한 논리를 사용합니다.

오거 이론 (Auger Theory) 원소 정량화

상단 방정식의 농도 (CE 및 CX)에 RSF 방정식의 오른쪽을 대입 (그리고 분자와 분모로부터 행렬의 현재 항을 제거함)은 다음 방정식을 제공합니다. 이 형식은 오제 (Auger)의 원소 정량법에서 가장 일반적인 방법입니다. 그러나 오거 RSF는 여기 정의 된 것들의 역수 인 경우가 많습니다. (이들은 곱셈보다는 오거 신호에 나눗셈에 통합되어야합니다.)

Auger 원소 정량법
오거 전자 방출 확률

Auger 전자는 Auger 방출 과정에서 최종 전자입니다. 1 차 여기 빔은 분석 대상 원자의 핵심 레벨에서 첫 번째 전자를 제거하여 공극을 생성합니다. 두 번째 전자는 에너지를 방출하면서 높은 레벨에서 공석으로 떨어진다. 결과 에너지는 더 높은 에너지 레벨에서 배출되는 Auger 전자로 방출됩니다.

오거 깊이 프로파일 링

샘플을 깊이 분석하기 위해 Auger 장비에는 이온빔 스퍼터링이 통합되어 시료 표면의 물질을 제거합니다. 전형적인 깊이 프로파일의 한주기는 샘플에 작은 증분을 스퍼터링하고 오거 스펙트럼의 관련 부분을 측정, 중지하고 원소 정량화에 대한 방정식을 사용하는 것입니다.

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