Способ оже-спектроскопии поверхности твердых тел

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) 110

31 Р G 01 И 23/227

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТЮ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТБУ

p,QrYc т.;1

Cl.- 1 с (21) 3485985/18-25 (22) 02.09.82 (46) 15.07.84.Бюл. У 26 (72) А.A.Âäîâåíêîâ н МсИ.Городыский (53) 543.5(088.8) (56) 1. Методы анализа поверхностей.

Под ред. А.Зандеры. M. "Мир", 1979, с. 201.

2. Патент США У 3956351, кл. 250-305, опублик. 1976.

3. Патент США У 3914606, кл. 250-206, опублик. 1975.

4. Заявка Франции Ф 2296847, кл. С 01 N 23/227, опублик. 1976 (прототип). (54) (57) СПОСОБ ОЖЕ-СПЕКТРОСКОПИИ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ ТЕЛ, заключающийся .в облучении исследуемой поверхности модулированным по интенсивности первичнымм пучком электронов, пропускании вторичных электронов через энергетический анализатор и регистрации прошедших через анализатор вторичных электронов в соответствии с параметрами модуляции первичного пучка, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и разрешающей способности, модуляцию первичного пучка осуществляют путем формирования пакетов со скважностью (,з+ hl,g

T(t31> где Т вЂ”, период следования пакетов; т, — длительность л пакета; э " время запаздывания выхол да фоновых электронов; Ь в — временная дисперсия выхода фоновых электронов . и производят дополнительную сеЭ

Я парацию потока прошедших через энерге- а тический анализатор электронов путем формирования временных окон для про- lgj пускания оже-электронов с частотой, С соответствующей частоте следования первичных электронных пакетов, и с временной задержкой, определяемой временем прохождения и временной дисперсией прохождения оже-электронов через энергетический анализатор.

1103128 2

Изобретение относится к электронной спектроскопии и может быть использовано в оже-спектроскопии для анализа элементного и химического состава поверхности твердых тел. 5

Известен способ, в котором при непрерывном возбуждении электронным зондом все электроны вторичной эмиссии, испускаемые возбужденной поверхностью исследуемого образца, совмест- 1О но с оже-электронами анализируют по энергии анализатором дисперсионного тица, причем для выделения оже-сигнала на фоне сигнала других видов электдОнОВ ВтОричнОи эмиссии ОтклОняющии потенциал анализатора модулируют синусоидальным напряжением и регистрируют оже-спектры в виде первой производной по энергии от функции энергетического распределения анализируе- 20 мых электронов. Для проведения строгого количественного анализа необходима затем операция интегрирования полученного сигнала (1) .

Такой способ анализа позволяет избавиться от фона электронов вторичной эмиссии, но не исключает из регистрируемого сигнала флуктуационный шум, пропорциональный корню квадратному из тока электронов вторичной эмиссии. Кроме того, операция дифференцирования уменьшает примерно в

10 раз отношение сигнал /шум, а следовательно, и чувствительность (0„1X) при пространственном разрешении по35 рядка единиц микрон и энергетическом разрешении, определяемом конструкцией и качеством изготовления анализатора порядка 0,5Х, Известен способ оже-спектроскопии, в котором для учета фона рассеянных электронов используют эталонные образцы, не содержащие анализируемого элемента, снимают спектры с исследуемого образца и эталона, вычитают спектр эталона из спектра образца и по полученной разности. судят о содержании анализируемого элемента в образце (21.

Недостатки данного способа заклю-

50 чаются в низкой чувствительности, сложности реализации, связанной с необходимостью использования эталонных образцов.

Известен также способ оже-спектро-55 скопин, в котором вместе с измерением интенсивности оже-пика производят измерение фона в непосредственной близости от оже-пика с одной или с обеих сторон и вычитают полученную величину фона (или среднюю величину при измерении фона с обеих сторон от оже-пика) из интенсивности оже-пика для определения полезного сигнала (3) .

Однако указанный способ, хотя и обуславливает повышение чувствительности за счет увеличения отношения сигнал/шум в полезном сигнале, не позволяет тем не менее полностью устранить влияния фона на результаты анализа.

Наиболее близким к предлагаемому является способ оже-спектроскопии твердых тел, заключающийся в облучении исследуемой поверхности модулированным по интенсивности первичным пучком электронов, пропускании вторичных электронов через энергетический анализатор и регистрации прошедших через анализатор вторичных электронов в соответствии с параметрами модуляции первичного пучка путем фазочувствительного детектирования (4).

Известный способ обеспечивает предел чувствительности анализа порядка 0,1 ат. 7. при пространственном разрешением лучше 1000 А и разрешанием по энергии 0,2 эВ для энергии 100 эВ.

Однако указанные характеристики известного способа не всегда достаточны для решения ряда исследовательских задач.

Цель изобретения — повышение чувствительности и разрешающей способности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу оже-спектроскопии поверхности твердых тел, заключающемуся в облучении исследуемой поверхности модулированным по интенсивности первичным пучком электронов, пропускании вторичных электронов через энергетический анализатор и регистрации прошедших через анализатор вторичных электронов в соответствии с параметрами модуляции первичного пучка, модуляцию первичного пучка осуществляют путем формирования пакетов л

5 + 5 со скважностью T(t 14 у где Т—

t период следования пакетов; t — - длительность пакета; с — время запаздывания выхода фоновых электронов; Ь вЂ” временная дисперсия выхода фоновых электронов, и производят дополнительную сепарацию потока прошедших через

1103128 энергетический анализатор электронов путем формирования временных окон для пропускания оже-электронов с частотой, соответствующей частоте следования первичных электронных пакетов, и с временной задержкой, определяемой временем прохождения и временной дисперсией прохождения оже-электронов через энергетический анализатор.

В диапазоне энергии, представляющем интерес для оже-анализа, фоновый ток состоит преимущественно из неупруго отраженных электронов, время л запаздывания выхода которых ь относительно велико. - б — это время, необходимое .для потери первичной энергии в результате многократных актов неупругого рассеяния в объеме исследуемого образца. Для каждого отдельного акта эмиссии это время различно, что обуславливает временную дисперсию вторичной эмиссии.

Экспериментально измеренная величина ь для платины 6 10 c.

Время запаздывания выхода ожеэлектронов .о можно оценить как сумму времени существования состояния начальной иониэации и времени вылета оже-электрона в вакуум. Время существования состояния начальной ионизации лежит в пределах 10 -10 " ñ, а время вылета электронов с энергией

100 эВ с глубины 20 А (максимальная

-!6 глубина выхода оже-электронов) 10 с, т.е. ь в любом случае не превысит 35

10 -10 с.

Именно это различие во временах запаздывания вторичной электронной эмиссии (5 ) и эмиссии оже-электрол нов (ьц) лежит в основе предлагае- 40 мого способа, отличие которого от известных состоит в том, что анализ эмиттируемых исследуемой поверхностью электронов по энергии проводится с учетом временных характеристик вы- 45 хода электронов 2,, д .

Очевидно, что если анализ электронов, испускаемых поверхностью исследуемого объекта, проводить с момента начала каждого импульса возбуж- 50 дения только в течение времени, меньшего времени запаздывания фоновых и электронов 5, то в канал регистрации поступают. только оже-электроны.

При этом необходимо, чтобы каждый 55 следующий возбуждающий импульс падал на исследуемую поверхность не раньше, чем через время, достаточное для затухания всех процессов вторичной эмиссии от предыдущего импульса, т.е. при длительности импульса период модуляции возбуждающего зонда

Т должен удовлетворять условию

Т 3 t +дь5 т.е. скважность опре5 деляется отношением сgt дь

->1

С

На фиг. 1 и 2 показаны блок-схема устройства для оже-спектроскопии по данному способу и временные диаграммы электронных потоков соответственно.

Устройство для реализации способа оже-спектроскопии поверхности твердых тел содержит систему отделения оже-электронов от фоновых, включающую электронную пушку 1, лехеровые линии 2 и 3, вырезающие щели 4 и 5, генератор СВЧ-колебаний 6, фазовращатель 7, фокусирующую систему 8 с источником питания 9, систему.анализа вторичных электронов по энергии, включающую анализатор 10 типа цилиндрического зеркала и генератор пилообразного напряжения 11, и устройство регистрации, состоящее нз электронного умножителя 12, устройства счета импульсов 13 и регистрирующего устройства 14.

Электронный пучок, созданный электронной пушкой 1, вводится в промежуток двумя проволоками лехеровой линии 2, возбуждаемой СВЧ-генератором Ь.

Лехерова линия 2 используется в качестве системы, Отклоняющей пучок с большой скоростью поперек тонкой вырезающей щели 4. Время прохождения пучка через щель составляет при этом лишь-малую часть периода развертки Т, что позволяет получить импульсы первичного тока длительностью порядка

-12

10 с. Вторичные электроны, выбитые из образца 15, сепарируются дисперсным анализатором 10, на внешний цилиндр которого подается напряжение с генератора 11. Электроны фиксированной энергии Ео, прошедшие чере анализатор, фокусируются системой 8 и направляются в промежуток между двумя проволоками лехеровой линии 3, которая возбуждается СВЧ-генератор<;1

6 через фазовращатель 7. Фазоирашатель 7 управляется сигналом с генe-ритора 11 и устанавливает необходимую фазу колсбаний лехеровой линии 3 дна

1103128 пропускания подлежащих регистрации вторичных электронов, источник пита- ния 9, управляемый сигналом с генератора 1, предназначен для питания электродов фокусирующей системы 8.

Электроны, прошедшие промежуток между двумя проволоками лехеровой линии в момент, когда отклоняющее напряжение на ней равно нулю, пройдут через щель

5 и попадут на коллектор электронного 10 умножителя 12. Система счета импульсов 13 предназначена для приема счета импульсов, их преобразования и выдачи сигнала на регистрирующее устройство

14, на которое подается также напря- .15 жение с генератора 11, соответствующее величине энергии регистрируемых электронов.

Непрерывный поток электронов (фиг. 2а) с энергией Ер проходя через 20

) промежуток между двумя проволоками лехеровой линии 2, возбуждаемой СВЧнапряжением (фиг. 2о), преобразуется, имея вид представленный на фиг. 2о.

Длительность "пакета" электронов 25 управляется величиной амплитуды

СВЧ-колебаний и шириной вырезающей щели 4, а период следования электронных пакетов Т вЂ” частотой СВЧ-колебаний. Вышедшие из объекта электроны разделяется на две группы (фиг. 2 г ); оже-электроны (малый пакет") с за-H» - IS наздыванием 10 -10 с от первичного

"пакета" и фоновые электроны, вклю-. чающие неупруго, упруго отраженные и истинно вторичные электроны с запаздыванием 6 10 !2

До лехеровой линии 3 долетят как оже-, так и фоновые электроны определенной энергии Ео с некоторой дис-. 40 персией, определяемой разрешением анализатора. Если бы дисперсии не было и поток прошедших электронов был строго монохроматичен, то форма электронного сигнала имела бы вид

4S приведенный на фиг. 2 А . Однако, поскольку дисперсия имеет место, то происходит размытие "пакетов" во времени (фиг. 2 е ) из-за того, что электроны с большей энергией достигнут лехеровой линии раньше. Это обстоятельство накладывает дополнительное требование к разрешению анализатора, а именно: энергетическое разрешение должно быть таким, чтобы длительностью размытого "пакета™ фоновых электронов была меньше следования первичных электронных "пакетов".

Фазовращателем 7 так подбирают фазу СВЧ-колебаний, что на коллектор

ВЭУ проходят только оже-электроны и с меньшей дисперсией по энергии (фиг. 2ж ) . . Поскольку в описанных условиях в канал регистрации не попадут фоновые электроны, то будет исключен и флуктуационный шум фонового тока.

Тогда предел чувствительности способа определяется пороговой чувствительностью измерителя тока коллектора анализатора. Оценить минимальную регистрируемую предлагаемым способом концентрацию N„ор можно по следующей формуле: о 1 1

N ор где I — ток оже-электронов, А;

Тр — ток возбуждающего зонда, А;

tp — время регистрации оже-электронов в каждый период, с;

T — период первичного пучка, с; — вероятность ионизации внут- ренних уровней, см

 — пропускание анализатора.

Если анализ электронов данной энергии проводят в течение 1 с, то в режиме счета одиночных электронов можно зарегистрировать ток 1,6 10 А.

Учитывая, чтой э = 10 с,2 =1О с, отношение Т/t составит величину более 100 6 =10 "cM, типичное значение В=0,1, В этом случае "qop соста-2 вит 10 см . Такое значение пороговой чувствительности на 6-7 порядков лучше чувствительности известных способов.

Разрешение по энергии в предлагаемом способе определяется временем регистрации оже-электронов в каждый период, поскольку электроны с энергией, близкой к регистрируемой, не попадут на коллектор анализатора, если различие во временах их пролета от поверхности исследуемого образца до затвора превысят регистрации tp .

Время пролета (tz) расстояния ($) электроном с энергией Е равно

5. ь

42 /m Е где е, m - заряд и масса электрона соответственно.

Оценка для Et =99,995 В. Ег=100 В и .S=O 25 м дает величину =1,05 10 с.

- г

Таким образом, электр оны с энергией

Е в данном случае не будут з аре гис т1103128

ВНИИПИ Заказ 4970/32 .Тираж 823 Подписное и !

Филиал ППП Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4 рированы, если время регистрации . t>=10 12с. Отсюда энергетическое раз-. решение составит 2 1 -3 — 100Ж=5 ° 10 Ж

Е2

Ф ф

6 и м ф

Таким образом, предлагаемый способ позволит, существенно повысить чувствительность и разрешающую способность оже-спектрометрии поверхности твер5 дых тел.