【正文】 子能譜儀的基本原理 ? 俄歇電子能譜儀基本原理 ： 俄歇電子產(chǎn)生示意圖 ? 高能電子束與固體樣品相互作用時(shí) ，使 內(nèi)層電子激發(fā)、躍遷，所釋放出能量 ，并不以 X射線形式發(fā)射，而使空位層內(nèi) (或外層 ) 另一電子激發(fā)，此被電離出的電子稱為 俄歇電子 。 ? 離子探針：是進(jìn)行深度分析最有效和快速的方法之一。 18 一、離子探針儀在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用 ? 2．離子注入摻雜的測(cè)定： ? ① 定性或半定量地測(cè)定摻雜元素，如摻入硅中的硼、磷、砷、銻等在半導(dǎo)體中的擴(kuò)散和反擴(kuò)散分布。 ? ⑥ 研究非晶態(tài)和晶態(tài)硅膜上的雜質(zhì)和離子群?jiǎn)栴}，了解晶體形成的機(jī)理。離子探針給出硅上熱生長(zhǎng) 100nmSiO2薄膜的分析結(jié)果，幫助準(zhǔn)確地確定界面位置 。 17 一、離子探針儀在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用 ? ③ 測(cè)定鋁 硅 (AlSi)接觸面處，鋁和硅的互擴(kuò)散，分析失效原因。其中有代表性的工作有： ? 1．表面、界面和體材料的雜質(zhì)分析： ? ① 測(cè)定材料表面沾污層，表面吸附層，和表面氧化層中的雜含量，以便了解材料性能和改進(jìn)工藝條件。 16 一、離子探針儀在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用 ? 離子探針有許多優(yōu)點(diǎn)，自問世以來(lái)在半導(dǎo)體、金屬、礦物、環(huán)境保護(hù)、同位素和催化劑各方面的應(yīng)用都有很大發(fā)展。目前離子成像已用于研究晶界析出物、冶金和單晶的效應(yīng)、橫向擴(kuò)散、礦物相的特征以及表面雜質(zhì)分布等。 2. 深度剖面分析： （深度大于 50nm的分析），在薄膜分析、擴(kuò)散和離子注入等研究中，是測(cè)定雜質(zhì)和同位素的深度濃度分布最有效的表面分析工具。 ③ 在可控條件下，用初級(jí)離子轟擊濺射剝層，可獲得元素濃度隨深度變化的信息。 14 二次離子的記錄和觀察系統(tǒng) ? 二次離子的記錄和觀察系統(tǒng)： ? 與電子探針相似， ① 當(dāng)初級(jí)離子束在樣品表面掃描時(shí)，選擇某離子訊號(hào)強(qiáng)度調(diào)制同步掃描的陰極射線管熒光屏亮度，可顯示 二次離子像，給出某 元素面分布的圖。 ? 二次離子：通過(guò)質(zhì)譜儀后直接與電子倍增管的初級(jí)電極相碰撞，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。 ? B狹縫－－稱為能量狹縫；改變狹縫寬度：可選擇不同能量的二次離子進(jìn)入磁場(chǎng)。 ? 不同 m/e比離子－－聚焦在成像面的不同點(diǎn)上。故經(jīng)扇形磁場(chǎng)后，離子按 m/e比聚焦在一起。 11 ? 由電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后的二次離子，再進(jìn)入扇形磁場(chǎng) B（磁分析器）進(jìn)行第二次聚焦。 ? 在徑向電場(chǎng)內(nèi)，離子沿半徑為 r 的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，由電場(chǎng)產(chǎn)生的力等于向心力： Ee = mv2/rˊ ? 離子的軌跡半徑為： rˊ ＝ mv2／ Ee ? 即 rˊ 與離子動(dòng)量成正比。 10 質(zhì)譜儀 ② 質(zhì)譜儀： 由 扇形電場(chǎng) 和 扇形磁場(chǎng) 組成。 圖 141 離子探針儀結(jié)構(gòu)示意圖 221 mveV ?? 用引出電極 (施加約 1KV電壓 )將二次離子加速并引入質(zhì)譜儀。 ? 離子源： 發(fā)射一次離子的裝置，常是用幾百 V的電子束轟擊氣體分子（如惰性氣體氦、氖、氬等），使氣體分子電離，而產(chǎn)生一次離子 。 日本產(chǎn)動(dòng)態(tài)二次離子質(zhì)譜系統(tǒng) (離子探針） 法國(guó) CAMECA公司 NANOSIMS50 8 離子探針儀結(jié)構(gòu) ? 離子探針儀結(jié)構(gòu)： 一次離子發(fā)射系統(tǒng) 、 質(zhì)譜儀 、 二次離子的記錄和顯示系統(tǒng) 等三部分組成。 4. 可作同位素分析。 2. 可分析包括 H、 Li元素在內(nèi)的輕元素，特別是 H元素，此功能是其它儀器不具備的。 ? 與 EPMA相比， SISM有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1. 離子束在固體表面穿透深度（幾個(gè)原子層）比電子束淺，可對(duì)極薄表層 的深度 進(jìn)行成份分析。 ? 它是一種用于表面和微區(qū)成分分析的技術(shù)，因?yàn)槎坞x子來(lái)自于樣品的最表層（ ≤ 2nm)。 3 第一節(jié) 離 子 探 針 4 離子探針儀的基本原理 ? 離子探針儀的基本原理： ? 利用電子光學(xué)方法，把能量為 10～ 20KeV惰性氣體等初級(jí)離子加速并聚焦成細(xì)小的 高能離子束轟擊固體樣品表面 ，使之 激發(fā)和濺射出正、負(fù)二次離子 ，采用 質(zhì)譜儀對(duì)二次離子按質(zhì)荷比分開， 并用 探測(cè)器測(cè)量記錄二次離子質(zhì)譜（強(qiáng)度按質(zhì)荷比地分布），從而確定固體表面所含元素的種類和數(shù)量。 ? 缺點(diǎn)： （ 1） 高能電子束對(duì)樣品的穿透深度和側(cè)向擴(kuò)展較大 ， 一般達(dá) μm級(jí) ， 難以滿足薄層表面分析要求 。 5％ 內(nèi) 。 2 電子探針儀優(yōu)缺點(diǎn) ? 表面微區(qū)成分分析： 常用的主要工具仍是 電子探針儀 。1 第十四章 其它顯微分析方法簡(jiǎn)介 ? 本章簡(jiǎn)要介紹幾種表面分析儀器和技術(shù) : （ 1） 離子探針分析儀 (IMA)或 二次離子質(zhì)譜儀 (SIMS)； （ 2） 低能電子衍射 (LEED)； （ 3） 俄歇電子能譜儀 (AES)； （ 4） 場(chǎng)離子顯微鏡 (FIM)和 原子探針 (Atom Probe)； （ 5） X射線光電子能譜儀 (XPS)； （ 6） 掃描隧道顯微鏡 (STM)與 原子力顯微鏡 (AFM)。 可提供：表面幾個(gè)原子層的化學(xué)成分（如： SIMS， AES）；表面層的晶體結(jié)構(gòu)（如 LEED）；或在原子分辨基礎(chǔ)上顯示表面的原子排列情況乃至鑒別單個(gè)原子的元素類別，如：場(chǎng)離子顯微鏡（ FIM） 和原子探針（ Atom Probe）。 ? 優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 定量分析的精度較高；對(duì) Z 濃度 10％ wt的元素 ，其誤差在 177。 （ 2） 無(wú)損：可重復(fù)分析 。 （ 2） 對(duì) Z≤11的輕元素分析困難 ， 因其熒光產(chǎn)額低 ， 特征 X射線光子能量小 ， 使其檢測(cè)靈敏度和定量精度都較差 。 ? 離子探針： 學(xué)名稱 二次離子質(zhì)譜儀 （ Second Ion Mass SpectroscopySIMS） 。 5 離子探針的 特點(diǎn) ? 離子探針： 功能上與電子探針類似，只是以離子束代替電子束，以質(zhì)譜儀代替 X射線分析器。 分析區(qū)域：直徑 1～ 2μ m、 深度＜ 5nm，大大改善了表面成分分析的功能。 3. 可探測(cè)痕量元素 (～ 50 109， EPMA的極限為～ %)。 6 幾種表面微區(qū)成分分析技術(shù)的對(duì)比 ? 表 141 幾種表面微區(qū)成分分析技術(shù)的性能對(duì)比 7 離子探針儀 ? ，推薦使用 O離子槍和 Ce離子槍； ? kV 到 8 kV； ? ，達(dá)到ppb。 圖 141 離子探針儀結(jié)構(gòu)示意圖 ① 一次離子發(fā)射系統(tǒng)： 由 離子源 和 透鏡 組成。 9 一次離子發(fā)射系統(tǒng) ? 一次離子 在 12～ 20kV加速電壓作用下，從離子槍內(nèi)射出，通過(guò)扇形磁鐵偏轉(zhuǎn)（濾除能量差別較大離子）后 ，再經(jīng)幾個(gè)電磁透鏡聚焦成離子束，照射樣品表面激發(fā)二次離子。 ? 二次離子能量為： 二次離子 質(zhì)量 m不同， 其 速度 v 也不同。二次離子先進(jìn)入一個(gè) 圓筒形電容器式 扇形電場(chǎng)，稱為 靜電分析器 。 ? 扇形電場(chǎng) ： 能使 電荷 e和動(dòng)能相同、質(zhì)量未必相同的離子 作相同程度的偏轉(zhuǎn)。由磁通產(chǎn)生的洛侖茲力等于向心力： 221 mveV ?? 二次離子的加速電壓為 V， ? r為磁場(chǎng)內(nèi)離子軌跡的半徑， ? 則 ? 由兩式整理可得： rmvB e v /2?12 ? 可見，質(zhì)荷比（ m/e）相同的離子具有相同的運(yùn)動(dòng)半徑。 ? 相同 m/e比離子－－聚焦在 C 狹縫處的成像面上。 ? 若 C 狹縫固定不動(dòng)，連續(xù)改變扇形磁場(chǎng)的強(qiáng)度 B ，便有不同質(zhì)量的離子通過(guò) C狹縫進(jìn)入探測(cè)器。 狹縫 B 狹縫 C 13 離子探測(cè)系統(tǒng) ③ 離子探測(cè)系統(tǒng)： ? 離子探測(cè)器是二次電子倍增管，內(nèi)是彎曲的電極，各電極間施加 100300V的電壓，以逐級(jí)加速電子。二次電子被第二級(jí)電極吸引并加速，在其上轟擊出更多的二次電子，這樣逐級(jí)倍增，最后進(jìn)入記錄和觀察系統(tǒng)。 ② 在記錄儀上畫出所有元素的二次離子質(zhì)譜圖。