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半導體檢測實務 Auger Electron Spectroscopy 指導老師：吳坤憲 組員：黃維德 王宗昶 洪浩洋 教授 19323002 19323011 19323018 1 2016/7/12 前言 1925年Pierre Auger發現了歐傑電子，但歐傑電 子的訊號很弱。 1953年才由Lander利用電子激發材料表面、產 生歐傑電子以分析物體表面成分。 1970年學者專家利用電子儀器之輔助，順利將 歐傑光譜轉換為鑑別率高之資料形式，AES的重 要性才倍受肯定。 現在的歐傑電子儀廣泛採用CMA能量分析器並採 用電子束做為激發源。 2 2016/7/12 AUGER電子 原理 當激發源與原子碰撞，原 子的內層軌道的電子被激 發出來。而會產生一個空 穴。 外層軌道的電子躍遷到空 穴而釋放出能量，而該釋 放出的能量又可以激發同 一軌道或者更外層的軌道 使電子逃離樣品表面，這 釋放出電子稱之歐傑電子。 3 2016/7/12 AUGER電子 原理 2016/7/12 產生歐傑電子的激發能量可 以是電子，可以是光子，也 可以是離子。 由於電子束可聚焦到一 個極小的面積，因此可 以掃瞄過一個固定的範 圍獲得成份分析資訊。 由於歐傑電子的形成需有兩 個電子能階軌域及三個電 子，因此 H 及 He 兩元素 無法產生歐傑電子 4 AUGER電子 能量計算 歐傑電子的動能只與元素激發的原子軌道的能量有關， 而與激發源的種類和能量無關。 歐傑電子的能量躍遷過程涉及的原子軌道能階的結 合能來計算。可以用下面的方程表示： EKLM(Z)=EK(Z)-EL(Z)-EM(Z+Δ) EKLM(Z)→原子序為Z的原子KLM躍遷過程的歐傑電子動能 EK(Z)→K軌道能階的電離能 EL(Z)→L軌道能階的電離能 EM(Z+Δ)→M軌道能階的電離能 5 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 簡介 所有表面分析儀器使用之 技術，不外乎藉著光子、 電子、離子及中子等，入 射於試樣之表面而偵測其 所產生的二次訊號，產生 的二次訊號亦包含與光 子、電子、原子及離子等 有關之特性。 6 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 系統架構 由快速進樣室系統、超高真空系統、電子槍、離子槍、 能量分析系統、計算機數據採樣系統 7 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 原理 歐傑電子能譜儀是一種用來 分析材料表面奈米尺寸、化 學結構及組織形態的儀器。 電子束打到試片表面所引發 的各種反應機制，如二次電 子、特性 X-光及歐傑電子等， 其中可被偵測的歐傑電子只 有表面 30 Å 左右的深度。 8 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 原理 利用電子束照射試片引發歐傑反應，產生的歐傑電子 經由電子能量分析器接收，再經過訊號處理系統判斷表 面元素成分與濃度，必須在高真空下進行。 9 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 電子槍 主要作為激發源之用途。 由一直徑大約0.1毫米， 彎成為髮夾狀的熱鎢絲 組成，具有V型的尖端。 在電子槍內，陽極維持 在1到50kV的電位。 圍繞著燈絲的陰極，被加 上相對於燈絲的負電壓。 10 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 離子槍 一般試片表面極易吸附空氣中的污染物或者形成氧 化物，由於歐傑電子的脫離深度只有30 Å ，必須 利用中低能離子束濺射以將此干擾物清除。 另一作用是作為元素的深度分析用。 一般運用於歐傑電子分析技術之離子源有熱陰極和 冷陰極兩種。 11 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 熱陰極離子源 離子源安裝於高真空室內，將熱陰極離子源內的燈絲加 熱至熱游離電子的發射溫度，並於圓柱狀的柵極上加 適當正偏壓，熱游離電子便自燈絲朝柵極加速度運動， 並因此游離氣體分子成正離子 在游離區前面，有一抽引極，可將正離子由抽引極上的 微小孔徑導入離子透鏡組內，可進一步修正離子束的圓 徑及能量； 一般離子槍均在離子源前端另有抽氣裝 置，進行微差抽氣。 12 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 冷陰極離子源 不使用加熱燈絲。 游離室被同軸心的電磁鐵所包圍，工作氣體由離子槍後 面進入游離室，此時真空系統的氣壓保持在10-6 torr範 圍，離子經高壓放電產生後，經陽極抽引至聚焦區，離 子能量在0.5keV-10keV範圍內。 由於氣體會擴散至整個真空系統，必須防止對其它真空 組件造成劣化作用，尤其是活性氣體的使用，必須更加 注意。 13 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 橢圓鏡面分析儀(CMA) CMA的主體分別為r1及r2的兩同軸心的柱狀圓筒組成，通 常外筒附加-V電位，內筒接地。當電子通過了進口夾縫 進入圓筒間的電位場後，不同動能的電子會有不同的偏 折半徑，適當的調整V值可使帶特定動能的電子到達圓 筒末端出口夾縫，並進入檢測器內。 當電子進入CMA的角度(α)固定在42°18’，可使CMA有 最大的接收 立體角此時 CMA的傳送率 很高。 14 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 球扇能量分析器(SSA) 球扇電子能量分析器與CMA一樣，都是屬於電場擴散 形的電子能量分析器。 在相同的能量解析度情形下，SSA的穿透率比CMA小， 不過藉由適當的電子透鏡設計可大幅提昇SSA的傳送 率。 SSA的高能量解析度對於歐傑能譜訊號能量細微變化 的觀察有很大的幫助，這是CMA所不及的。 15 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 球扇能量分析器(SSA) 兩個球心相同，半徑分別為r1及r2的半球面，分別附加 -V1及-V2的偏壓，在r1及r2中間，半徑為r0的區域會有等 電位面，具適當動能(E0)的電子由SSA夾縫進入。 偵測到試片不同點會有不同能量變化，並將訊號輸出至 電子檢測器內。 16 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 樣品製備技術 歐傑電子能譜儀對分析樣品有特定的要求，粉體樣品原 則上不能進行歐傑電子能譜分析。 由於涉及到樣品在真空中的傳遞和放置，待分析的樣品 一般都需要經過一定的前處理。主要包括樣品大小，揮 發性樣品的處理、表面污染樣品及帶有微弱磁性的樣品 等的處理。 17 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 樣品製備技術-前處理 含有揮發性物質和表面污染的樣品 一般可以透過對樣品進行加熱或用溶劑清洗等方法。 含油性物質的樣品，一般依次用正己烷、丙酮和乙醇 超音波清洗，然後紅外光烘乾，才可進入真空系統。 對於表面有機物污染的樣品，在進入真空系統前 必須用油溶性溶劑如環己烷，丙酮等清洗掉樣品表面的 污染。最後再用乙醇清洗掉有機溶劑。 而對於一些樣品，可以進行表面打磨等處理。 18 2016/7/12 歐傑電子能譜儀 樣品製備技術-前處理 帶有微弱磁性的樣品 由於歐傑電子帶有負電荷，當樣品具有磁性時，由樣品 表面出射的歐傑電子就會在磁場的作用下偏離接收角， 得不到正確的AES譜。 當樣品的磁性很強時，還存在導致分析器頭及樣品架磁化 的危險，因此，絕對禁止帶有強磁性的樣品進入分析室。 對於具有弱磁性的樣品，一般可以通過退磁的方法去掉樣 品的微弱磁性，然後就可以像正常樣品一樣分析。 19 2016/7/12 20 2016/7/12 分析技術 能譜的定性分析 歐傑電子能譜的定性分析是一種最常規的分析方法，也是 歐傑電子能譜最早的應用之一。 可以根據歐傑電子的動能來定性分析樣品表面物質的元素 種類。 在進行定性分析時，通常採取歐傑譜的微分譜的負峰能量 作為歐傑動能 對原子序數較高的元素，歐傑峰的數目更多，使歐傑電子 能譜的定性分析變得非常複雜。在利用歐傑電子能譜進行 元素定性分析時，主要是利用與標準譜圖對比的方法。 21 2016/7/12 分析技術 表面元素的半定量分析 一般不能測出所分析元素的絕對含量，僅能提供元素的相 對含量，而不是絕對含量，得到的僅是一種半定量分析結 果。 AES譜儀對不同能量的歐傑電子的傳輸效率也是不同的，會 隨譜儀污染程度而改變。當譜儀分析器受到嚴重污染時， 歐傑峰的強度會大幅度下降。 相對靈敏度法： Ci=(Ii/Si)/(ΣIi/Si) Ii ---第i種元素的AES訊號強度 Si ---第i種元素的相對靈敏度因子 22 2016/7/12 分析技術 元素深度分佈分析 採用Ar離子束進行樣品表面剝離深度分析方法，此方 法為破壞性分析。 是先用Ar離子把表面一定厚度濺射掉，再用AES分析 剝離後的表面元素含量，就可以獲得元素在樣品中沿 深度方向的分佈。 由於離子束與樣品做用太久會使樣品產生效應，為了 獲得良好的深度結果，必須使用交替濺射式方式。並 盡可能降低每次濺射的間隔時間。 23 2016/7/12 分析技術 微區分析 2016/7/12 微區分析也是歐傑電子能 譜分析的重要功能。這種 功能是歐傑電子能譜在微 電子元件研究中最常用的 方法。 圖為Si3N4薄膜經850度快速 熱退火處理後表面不同點 的歐傑定性分析圖。從表 面定性分析圖上可見，在 正常樣品區，表面主要有 Si、N以及C和O元素存在。 而在損傷點，表面的C、O 含量很高，而Si、N元素的 含量卻比較低。這結果說 明在損傷區發生了Si3N4 薄 膜的分解。 24 應 用 薄膜表面清潔度測定 通過歐傑電子譜可以實時 監測樣品的表面清潔程度。 在圖可以看出，原始表面 上除有Cr元素存在，還有C、 O等汙染雜質存在。 經過Ar離子濺射清潔後， 其表面C雜質峰值基本消失。 25 2016/7/12 應 用 鑽石薄膜表面判定 經過化學清洗薄膜表面前後之歐傑圖 26 2016/7/12 應 用 27 2016/7/12 結論 具有很高的表面靈敏度、空間解析度，因此AES對於 表面薄層的分析是較適當的選擇。 雖是同樣元素但會產生不同的歐傑電子能量 配合離子槍可進行深層的介面分析 28 2016/7/12 END 29 2016/7/12 30 2016/7/12 歐傑電子與X光的產生機率與原子序的關係 基本上，歐傑效應是一個電子重新排列組合的結果。 原子序大的原子，電子較多，其互相牽扯也較多，不易重 排，因此產生歐傑電子機率也比較低，反之原子序小的容 易產生歐傑電子。 31 2016/7/12 雖是同樣元素但會產生不同的歐傑電子能量 同樣元素所產生的歐傑電子，會因為參與歐傑效應的電 子軌道不同，產生歐傑電子的能量也不同。 當電子能量小於10或大於1000eV時，其平均自由徑大， 其穿透原子層的能力較高。訊號來源的深度範圍較大， 也就是表面敏感度差。 至於10~1000eV的歐傑電子，因擁有較小的平均自由徑， 穿透原子層的能力較低，訊號的來源可能在表面幾個原 子層範圍內，也就是具有較高的表面敏感度。 32 2016/7/12 微差抽氣 由於熱陰極離子源內高熱的燈絲容易遭受氧化，所以多 用氬氣做為產生離子的氣體，氣體由離子源後端進入真 空室內，為了避免未游離成離子的氣體分子對真空室造 成污染，影響分析品質和真空系統的功能與壽命，一般 離子槍均在離子源前端另有抽氣裝置，這樣的抽氣裝置 稱為微差抽氣法，如此的設計，即使離子源的氣壓在 1*10-4torr，分析室內的氣壓依然可保持在1*10-9torr 以下。 33 2016/7/12 元素的相對&絕對含量 相對含量 例如：Aux強度1000 count；靈敏度0.6 Cuy強度3000 count；靈敏度0.1 但是元素含量不是1:3 (1000*0.6)/(1000*0.6+3000*0.1)=>金含量 (3000*0.1)/(1000*0.6+3000*0.1)=>銅含量 絕對含量 不須計算，僅直接明確測量單一元素的含量為多少 34 2016/7/12 關於微分負峰值 35 2016/7/12 KLL KLL為電子從K層激發到L層，從L層回覆到K層放出的能 量使L層電子被激發成為二次電子 36 2016/7/12