Transcript Auger Electron Spectroscopy

Surface Analysis
Auger Electron Spectroscopy
Thin film optics LAB
이승휴
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
10Å
3Å
투과전자의 방출 X-선의 영향
미소영역의 화학조성
RBS
He, H입자
투과전자, X선
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
RBS : Rutherford Backscattering Spectroscopy
계면의 구성원소 및 화학적 결합상태, 에너지 준위 등을 알
XPS : X-ray Photoelectron Spectroscopy (ESCA)
아내는 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
에너지를 측정하여 재료표면을 구성하고 있는 원소의 종류 및 양을 분석해내는 표면분
석 장비이다.
Surface Sensitivity
 표면선택성 (Surface Sensitivity)
투과거리가 긴 x-ray는 표면이하 깊은 곳에서 발생해도 표면 밖으로 나올 수 있지만
대부분의 Auger 전자는 짧은 투과거리 때문에 표면 근처에서 발생하는 것만 초기의 에
너지를 보유한 체 밖으로 나올 수 있다
Principles of the Auger process
Incident particle
④
- Electron, X-ray
Emission (안정화)
- Auger electron, X-ray fluorescence
①
 2KeV 이하의 낮은 결합에너지의 경우
에는 Auger electron emission 지배적임.
② hole
③
Principles of the Auger process
 KL1L1 Auger transition:
- initial K hole
- Filled with an L1 electron
- Simultaneously, the other L1
electron is ejected
 LM1M1 Auger transition:
- Intial L hole (2s vacancy)
Principles of the Auger process
 KE of each Auger electron :
- Core hole ionization of K electron BE in O =532eV(EA)
- BE of L1 electron in O =24eV(EB)
- BE of L3 electron in O =7eV(EC)
- Auger electron KE(KLL)in O=532-24-7=501eV
Principles of the Auger process
Auger electron energy
Kinetic energy of an Auger electron
EABC( z )  EA( z )  EB( z )  EC ( z )  s
Auger electron 의 에너지는 원소마다 고유함
 재료의 구성원소를 구분할 수 있다.
s
Z
: Spectrometer work function
: Atomic number
Schematic diagram of AES
Auger analysis
Data acquisition 중 샘플 표면에 불순물의
흡착을 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
Electron source & analyzer
Electron sources (beam dia.)
- Tungsten filament (3~5㎛)
Auger electron scan
-V
- LaB6 crystal (<20nm)
- Field emission gun (<20nm)
High resolution (min dia)
- Beam voltage (higher)
- Beam Current (lower)
-V
Error (sample position) : roughness
Cylindrical Mirror Analyzer(CMA)
- Auger electron EA ∝ V
- ∆E/E mode  N(E)*E spectrum
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)
Sputtering rate
Sputtering rate
-sputter angle, ion energy, ion species,
sample composition, sample density
-SiO2의 sputtering 속도와 비례적인 방법으로 구함
v( AlN )  v( SiO2 ) 
S ( AlN ) / N ( AlN )
S ( SiO2 ) / N ( SiO2 )
V : sputter 속도, S : sputter yield, N: atomic number density
Depth resolution
-Unidirectional Sputtering 으로 인한
Surface roughness 증가 (∝depth Z)
Depth resolution (영향요인)
 기기적 인자
• 내부잔류 gas로 부터의 흡착
• 식각된 물질의 재침전
• 이온빔의 impurities
• 이온빔으로부터의 neutrals
• 이온빔 intensity의 불균일성
• 시간에 따른 이온빔 intensity의 변화
 Sample
• 시료표면의 roughness
• 시료 결정의 방향 및 결함
• 성분마다 다른 sputtering yield
• Atomic mixing
• 시료 원자들의 확산이나 분리, 결합
Zalar rotation
Increase of Depth resolution (decrease of Surface roughness)
- Rotate the sample during sputtering (Zalar rotation)
- Use the multiple ion guns at different angles.
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
Example1
Example1
Zalar Rotation
100
100
Ag
+
2kV Ar (3.4nm SiO2/min)
Ag
Si
80
O
O
+
2kV Ar (3.4nm SiO2/min)
80
O
Automic %
O
Ti
Ag
10
Ti
Ti
Ti
Ti
Ti
0
O
O
Ag
40
Ag
20
0
Ag
60
60
40
Si
20
30
40
Sputter Time (min)
20
50
60
0
0
10
20
30
40
Sputter Time (min)
50
60
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)