Transcript 표면분석

Surface Analysis by
-AES
-XPS
-SIMS
-XRD
-SP1
대표적인 분석방법
장비
입사광
측정신호
분석깊이
최소분석면적
원리
취득정보
XPS
특성 X-선
광전자
10~100Å
100㎛
광전자의 측정으로 에너지 준위 결정
화학결합상태, 원소분석
UPS
자외선
광전자
수십Å
100㎛
광전자의 측정으로 에너지 준위결정
진동주파수, 화학결합상태
AES
전자
Auger전자
20~60Å
20nm
Auger 전자의 측정에 의한 원소분석
표면원소분석
SIMS
이온
2차이온
50~300Å
1㎛
2차이온에 의한 질량분석
표면층의 고감도 원소분석
ISS
이온
산란이온
1nm
1mm
일정각도로 산란된 이온의 측정
표면 원소분석
SEM
전자
2차전자, X-선
100Å
10Å
가속전자에 대한 2차전자나 X-선
표면의 형상, 원소조성
TEM
전자
투과전자
50Å
10Å
투과전자의 세기에 따른 명암 영상
격자구조, 결함의 관찰
STEM
전자
투과전자, X-선
10Å
3Å
투과전자의 방출 X-선의 영향
미소영역의 화학조성
RBS
He, H입자
산란이온
20~200Å
1mm
후방산란된 이온의 세기 측정
정성, 정량분석
LEED
전자
산란전자
수원자층
수백㎛
표면 2차원 격자에 의한 산란
표면구조, 흡착원자 배열
EPMA
전자
X-선
1㎛
1㎛
특성 X-선에 의한 원소분포
원소 정량
SAM
전자
Auger 전자
10~100Å
0.1㎛
방출된 Auger전자로 영상 구성
화학성분 분포 측정
AES : Auger electron Spectroscopy
SAM : Scanning Auger Microscopy
표면분석
금속 ( ~ 20Å), 유기물, 고분자물질 ( ~ 100Å)의 표면과 계면
RBS : Rutherford Backscattering Spectroscopy
의 구성원소 및 화학적 결합상태, 에너지 준위 등을 알아내는
XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (ESCA)
기술
STEM : Scanning Transmission Electron Microscopy
SEM : Scanning Electron Microscopy
Auger Electron Spectroscopy (AES)
 AES (Auger Electron Spectroscopy)
수백 Å 크기의 Electron beam을 재료의 표면에 입사  방출되는 Auger electron의 에
너지를 측정하여 재료표면을 구성하고 있는 원소의 종류 및 양을 분석해내는 표면분석
장비이다.
Surface Sensitivity
 표면선택성 (Surface Sensitivity)
투과거리가 긴 x-ray는 표면이하 깊은 곳에서 발생해도 표면 밖으로 나올 수 있지만 대
부분의 Auger 전자는 짧은 투과거리 때문에 표면 근처에서 발생하는 것만 초기의 에너
지를 보유한 체 밖으로 나올 수 있다
Schematic diagram of AES
Auger analysis
Data acquisition 중 샘플 표면에 불순물의 흡
착을 방지하기 위해 10-8torr 이하의 UHV
chamber 내에서 이루어짐.
Electron gun : Primary electron beam
Electron energy analyzer and detector :
measurement and collection of emitted
electrons.
Sample manipulator : to locate the area of
interest at the analyzer focal point.
Ion gun : cleaning of the sample and for
depth profiling
Instrument
Physical Electronics Model 25-130 CMA
AES 분석
- 원소의 정성 및 정량분석(Auger peak)
- 2차전자를 이용한 표면관찰(SEM)
- Depth profiling(Ion beam)
- line scan
- Image mapping
Line scan & image mapping
원소의 정성 및 정량분석
정성분석
정량분석
I i  I b (1  rM )TD  N i ( z ) exp( 
XA
z
)dz
M
PA / S A

 100
 i(Pi / Si )
XA: A의 atomic%, P: Peck to peck, S:sensitivity factor
AES spectrum
AES spectrum
-Noise 혹은 다른 원소로 부터의 peak중첩을 고려 해야함
-Spectrum 해석(S/W) Depth profile data 획득
Chemical shifts in AES profiles
-분석가능하지만 일반적으로 ESCA사용
(Auger process중 3개의 전자준위에 의한 간섭때문)
AES_PHI660 system
 conventional SEM
-Lanthanum hexaboride(LaB6)
cathode
-Secondary electron detector
-CMA(cylindrical mirror analyzer)
 Very small spot sizes (down 20 nm dia.)
 Sputtering (ino gun)
- Remove surface contamination
- Remove material for depth profiling
 Modes of operation
- Survey
- Line profile
- Elemental mapping
- Depth profile
Example1
SAM Image
[air | TiO2 (24 nm)|Ti (1 nm)|Ag (17 nm)|TiO2 (24 nm)
{TiO2 (24 nm)|Ti (1 nm)|Ag (13 nm)|TiO2 (24 nm) }2 |glass]
100
+
2 kV Ar
(3.3 nm SiO2/min)
80
SEM Image
Atomic %
Ag
Si
O
O
60
40
Ag
Ti
Ag
Ti
20
0
0
10
20
30
40
50
60
Sputter Time (min)
70
80
Summary
 주요적용범위
• 표면(수Å)에 대한 조성 분석
• 박막의 깊이방향 원소분석(depth profiling)
• 미소부위 조성분석(point analysis)
• 이차원적인 원소분포도 측정(image mapping)
• line scanning
 장점 및 단점
• 표면선택성 우수(~25Å)
• 평면 분해능이 우수(전자빔의 집속 ~수백Å)
• 깊이에 따른 조성 및 결합상태 분석
• 검출한계(0.1at%)이하 농도 분석이 어려움
• Bulk 절연체의 분석이 어려움(Charging effect)
XPS
Overview
X-선 광전자 분광기는 시료의 표면으로부터 100Å의 깊이에 관한 정보를 얻을 수 있는
표면민감성 분석장비.
일정한 에너지를 가지는 X선(광자)을 시료에 쬐면 시료로부터 광전자(photoelectron)
들이 방출되는데 이 광전자들의 운동 에너지를 측정하면 광전자를 시료로부터 방출하
기 위해 필요한 에너지인 binding energy를 알 수 있음.
광전자를 방출하는 원자의 고유한 성질인 이 binding energy의 측정으로부터 원소의
정성 및 정량분석, 그리고 화학결합상태 등을 분석하는 기법.
XPS는 이 기술을 개발한 스웨덴 Uppsala 대학교의 Siegbahn에 의해 붙여진
ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)라는 별명으로 흔히 알려져
있으며 그 원리는 다음과 같다.
사용 예: 반도체 소재, 박막, 금속, 화합물, 유리, 촉매, 고분자 및 나노 소재 등의 표면
및 계면 특성분석
Photoelectric effect
Ek = hv - EB - W0
Ek : Kinetic energy of photoelectron
hv : Photon energy
EB : Binding energy of the electron
W0 : Work function of the material
X-ray: Mg과 Al의 Kα선
텅스텐필라멘트로부터 방출되는 열전자
가속되어 target물질에 충돌
target물질의 특성 X선 발생
Mg의 Kα선은 1253.6eV, Al은 1486.6eV
Kinetic energy
F= qE =m(V²/R)
• F : Force
• V : Speed
• R : trajectory radius
• E : electrical fields established by U potential
• m : electron mass
• q : electron charge
X-Ray Photoelectron Spectrometer
Samples are irradiated with
monochromatic X-rays which cause the
ejection of photoelectrons from the surface.
The electron binding energies, as
measured by a high resolution electron
spectrometer, are used to identify the
elements present and, in many cases,
provide information about the valence
state(s) or chemical bonding
environment(s) of the elements thus
detected. The depth of the analysis,
typically the outer 3 nm of the sample, is
determined by the escape depth of the
photoelectrons and the angle of the
sample plane relative to the spectrometer.
Busan Branch
Example of result on SiO2 film
Survey
O1s
Intensity(counts) (slurry)
Intensity(counts) (DI)
Intensity(counts) (pH2)
Intensity(counts) (pH11)
7000
0
25000
Intensity(count)
Intensity(count)
14000
20000
15000
10000
5000
0
528
0
200
400
600
800
1000 1200
Binding Energy [eV]
530
532
534
536
538
Binding Energy [eV]
540
SIMS
What is SIMS (Secondary ion mass spectroscopy) ?
수 keV ~ 10keV로 가속된 이온 빔을 재료의 표면에 입사시켜 방출되는 2차 이온들
의 질량을 측정하여 재료 표면을 구성하고 있는 원자 및 분자의 종류 및 양을 분석
하는 표면 분석 장비이다. 이온 원으로는 Ar+, Ne+, He+, O-, N-2등이 사용된다.
To mass
spectrometer
Beam of Secondary Ions
to be Analyzed
Extraction Lens
Secondary Ions
Samples
Composition
1. Cesium ion source
2. Duoplasmatron
3. Electrostatic lens
4. Sample
5. Electrostatic sector – ion energy
analyzer
6. Electromagnet – mass analyzer
7. Electron multiplier / Faraday cup
8. Ion image detector
SIMS 는 일차 이온을 생성시키는 일차 이온발생장치 (primary ion source),생성된 일차 이온을 시료까지 운반
하는 일차 칼럼(primary column), 시료로부터 이차이온이 생성되고, 가속되는 시료 장착부 (sample chamber),
생성된 이차 이온을 에너지차와 질량차 등에 의해 걸러내고 검출기(detector) 까지 운반하는 이차 칼럼
(secondary column), 그리고 선별된 이차 이온의 양을 측정하는 검출부로 구분된다.
Primary ion source
Primary column
Duoplasmatron은 주로 산소 이온을, 표면이온화 일차이온 발생
장치는 주로 세슘(cesium)이온을 발생시키기 위해 사용된다 원
소마다 일차이온의 종류에 따라 생성되는 이차이온의 양에 커다
란 차이가 있다.
대부분의 SIMS는 두 종류의 일차이온발생장치를 모두 갖추고 분석에 적합한 일차이온을 선택할 수
있도록 하고 있다. 일반적으로 음이온의 형태로 분석하고자 할 때는 133Cs+를, 양이온의 형태로 분
석하고자 할 때는 16O-를 일차이온으로 사용하게 된다. 생성된 일차이온은 가속 전압에 의해 일차
칼럼을 통과하여 시료로 운반된다.
Ion beam sputtering
일차이온은 약 350km/s의 고속으로 시료 표면에 충돌한다. 고속
의 일차이온이 고체 시료 표면에 충돌하게 되면 충돌 에너지가 시
료 표층부의 입자들에 전파되게 되고 일부 입자들은 bonding 을
끊고 시료에서 방출되게 된다. (중성의 원자, 분자 이온의 형태)
충돌에너지가 전파되는 깊이 : 10nm
입자가 방출되는 깊이 : 약 1nm
sputtering
시료 표면에 적절한 전압 (4.5~10kV)을 걸어주면 방출된 이차 이
온들은 질량 분석 장치를 향해 가속된다.
Ionization efficiency (이온화 효율): sputtering에 의해 특정원소가
이온화 되는 정도
Sputtering을 이용하므로, 액체나 기체 시료는 SIMS로 분석할 수
없으며, 고체 시료의 경우에도 He, Ne, Ar등 불활성 기체는
sputtering에 의해 이온화 되지 않기 때문에 분석 할 수 없다.
Ion energy analyzer, mass analyzer
SIMS는 일반적으로 고체 시료를 화학적 처리과정 없이 바로 분석한다. 따라서, 표면에서 생성되는 이차
이온의 종류는 매우 다양하며, 이 때문에 SIMS의 검출기에 도달하는 신호 (질량 스펙트럼)는 매우 복잡하
여 분석을 어렵게 만든다. 이를 극복하기 위해 일반적인 질량분석기에 비해 분해능이 좋은 대형 편자장 장
치 (magnetic sector)를 장착한다. 또한 분자이온의 간섭을 최소화 하기 위해 질량과 에너지에 의해 이중으
로 이차 이온을 걸러내는 이중초점방식 (double focusing method)을 채택한다.
Secondary ion detector
SIMS는 Faraday cup과 전자증폭기 (Electron multiplier), 두 종류의 검출기를 장착하고 있어 이차 이온의
강도에 따라 검출기의 종류를 선택할 수 있다. 주성분원소로부터 적게는 ppm(100만분의 1) 또는 ppb(10
억분의 1) 이하의 미량 원소까지 분석할 수 있다.
Mass spectra
•
•
•
•
시료표면분석
깊이방향분석
동위원소분석
질량분석
• 표면분석 (Static SiMS) : 넓은 물질의 10~20 으로부터 얻어지는 양이온, 음이온
질량 스펙트럼으로부터 표면 분자의 성분을 분석하는 방법
Static SIMS (surface analysis)
Depth profiling
Trace metal contamination in SiO2
• 수직 분표 분석 (Dynamic Sims) : 이온 빔을 이용하여 표면을 깎아 내려가는 동
안 깊이 방향으로 원소의 분포도를 측정하는 분석 방법.
Dynamic SIMS (depth analysis)
Ion imaging
Image dimensions : from 100um to less than 10um
• 이미지 분석 (Imaging Sims) : 표면 분석중에 발생되는 이차이온을 이미지 모드
로 바꾸어 특정 영역에서의 조성 및 균일도를 분석하는 방법 불균일 촉매, 전자,
재료, 반도체, 전극, 금속, 재료, 고분자 등의 표면 조성, 산화 상태등을 분석하는
데 쓰인다.
• 불균일 촉매, 전자, 재료, 반도체, 전극, 금속, 재료, 고분자 등의
표면 조성, 산화 상태 등을 분석
Imaging SIMS (spatial analysis)
SIMS VS XPS
+ higher sensitivity
+ More direct identification of organics
+ faster imaging & depth information
+ differentiation of isotopes
- More complex elemental quantification
Application
• Surface coatings
• Surface treatments
• Electronic components
• Semiconductors (GaAs, Si)
• Electrodes & sensors
• Catalysts
• Adhesives
• Lubricants
• Packing materials
• Corrosion studies
Polymer, Ceramic, Lubricants, Biological
Catalysts, Semiconductor, Thin Film, Corrosion
Studies, Molecular information, Organic,
Inorganic
X-Ray Diffraction (XRD)
회절 (Diffraction)
입자의 진행경로에 틈이 있는 장애물이 있으면 입자는 그 틈을 지나 직선으로 진행한다. 이와 달
리 파동의 경우, 틈을 지나는 직선 경로뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 돌아 들어간다. 이처럼
파동이 입자로서는 도저히 갈 수 없는 영역에 휘어져 도달하는 현상이 회절이다.
Bragg’s Law
n l = 2 d Sin q
Basic Features of Typical XRD Experiment
Application of XRD
• Nondestructive technique
• Measure thickness of thin films and multi-layers
• Determine the orientation of a single crystal or grain
• Find the crystal structure of an unknown material
• Measure the size, shape and internal stress of small
crystalline regions
• Detection limits: ~3% in a two phase mixture; can be ~0.1%
with synchrotron radiation
Several atomic planes and their d-spacings in a simple cubic
XRD pattern of NaCl powder
Phase Identification
Phase analysis
같은 물질이라도 상이 다르면 물리적,화학적 성질이 다름.
Ex) α-SiO2, β-SiO2, α-Al2O3, γ-Al2O3, δ-Al2O3, rutile(TiO2), anatase(TiO2),
brookite(TiO2), Austenite, ferrite등
Residual stress in thin film
M
C
E
Residual stress in thin film
do
(hkl) planes
dhkl
σ
σ
z
Crystal subjected to
biaxial stress
Unstressed crystal
y
εzz =
탄성 변형 시, 면간 거리
(dhkl)의 변화
면간 거리 측정을 통한
변형률 계산
Hooke’s law를
이용한 응력 계산
Merits of using X-Ray Diffraction for residual stress
• Non-destructive
• Specific phase
• Desired crystallographic and/or sample orientations
• Penetration depth (~10μm) – surface
• Small area (~100µm)
Surfscan SP1TBI
Operations and
Overview Course
KLA-Tencor
660 Alder Drive
Milpitas, CA 95035
How does the Surfscan work?
•
Illuminates wafer with scanning laser
•
Uses normal incidence for 62X0
(SP1)
•
Grazing-angle incidence for 64X0
(SP1TBI)
•
Collects scattered light from particles
•
Sizes and counts particles
•
Accepts or rejects and then sorts wafers
•
Displays information and writes information to
file
Dark field and bright field basic definitions
• Dark field detection: refers to the
collection and registration of scattered
radiation.
• Bright field detection: refers to
operations performed on the reflected
light.
LPDs & Haze
Particles are High Amplitude & High Frequency
Haze is Low Amplitude & Low Frequency
PMT Output Signal
Particles
Haze
Time/Position
Fundamentals of Light Scattering
•
Light from laser illuminates particles on
wafer and surrounding surface
•
Particles and surface scatter light
simultaneously
•
Maximize detection of particle scatter
and minimize detection of surface
scatter
Laser
SP1TBI Optics & measurement principle
Detector
 Static Optics
Wafer
:
Translation
Rotation
 Moving Sample
Dark Field vs. Bright Field
(Scattered Light vs. Reflected Light)
Scattered Light
(Dark Field)
Scattered Light
(Dark Field)
Two Dark Field detection channels increase
sensitivity and dynamic range
Surface scattering (haze) limits ability to detect
particles on unpatterned wafers.
200
Threshold level
Photo150
electrons
from PMT
photocathode
Particle signal
Noise
100
Background (100 photoelectrons)
50
0
0
2000
4000
6000
8000
10000 12000 14000
Position in mm
Light Scattering Inspection Process
Detector
Point Defect
Collector
Surface Information
Dark Field / Bright Field
Scan
Surface Data Display
Defect Display