簡(jiǎn)介

        掃描俄歇納米探針，又稱(chēng)俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy，簡(jiǎn)稱(chēng)AES）是一種表面科學(xué)和材料科學(xué)的分析技術(shù)。根據(jù)分析俄歇電子的基本特性得到材料表面元素成分（部分化學(xué)態(tài)）定性或定量信息?？梢詫?duì)納米級(jí)形貌進(jìn)行觀(guān)察和成分表征。近年來(lái)，隨著超高真空和能譜檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，掃描俄歇納米探針作為一種極為有效的表面分析工具，為探索和研究表面現(xiàn)象的理論和工藝問(wèn)題，做出了巨大貢獻(xiàn)，日益受到科研工作者的普遍重視。

俄歇電子能譜常常應(yīng)用在包括半導(dǎo)體芯片成分表征等方向

發(fā)展歷史

        近年來(lái)，固體表面分析方法獲得了迅速的發(fā)展，它是目前分析化學(xué)領(lǐng)域中最活躍的分支之一。它的發(fā)展與催化研究、材料科學(xué)和微型電子器件研制等有關(guān)領(lǐng)域內(nèi)迫切需要了解各種固體表面現(xiàn)象密切相關(guān)。各種表面分析方法的建立又為這些領(lǐng)域的研究創(chuàng)造了很有利的條件。在表面組分分析方法中，除化學(xué)分析用光電子能譜以外，俄歇電子能譜是最重要的一種。目前它已廣泛地應(yīng)用于化學(xué)、物理、半導(dǎo)體、電子、冶金等有關(guān)研究領(lǐng)域中。

        俄歇現(xiàn)象于1925年由P.Auger發(fā)現(xiàn)。28 年以后，J.J.Lander從二次電子能量分布曲線(xiàn)中第一次辨認(rèn)出俄歇電子譜線(xiàn)， 但是由于俄歇電子譜線(xiàn)強(qiáng)度低，它常常被淹沒(méi)在非彈性散射電子的背景中，所以檢測(cè)它比較困難。

        1968年，L.A.Harris 提出了一種“相敏檢測(cè)”方法，大大改善了信噪比，使俄歇信號(hào)的檢測(cè)成為可能。以后隨著能量分析器的完善,使俄歇譜儀達(dá)到了可以實(shí)用的階段。

         1969年圓筒形電子能量分析器應(yīng)用于AES, 進(jìn)一步提高了分析的速度和靈敏度。

        1970年通過(guò)掃描細(xì)聚焦電子束,實(shí)現(xiàn)了表面組分的兩維分布的分析(所得圖像稱(chēng)俄歇圖)，出現(xiàn)了掃描俄歇微探針儀器。

        1972年，R.W.Palmberg利用離子濺射，將表面逐層剝離，獲得了元素的深度分析，實(shí)現(xiàn)了三維分析。至此，俄歇譜儀的基本格局已經(jīng)確定， AES已迅速地發(fā)展成為強(qiáng)有力的固體表面化學(xué)分析方法，開(kāi)始被廣泛使用。

基本原理

        俄歇電子是由于原子中的電子被激發(fā)而產(chǎn)生的次級(jí)電子。當(dāng)原子內(nèi)殼層的電子被激發(fā)形成一個(gè)空穴時(shí)，電子從外殼層躍遷到內(nèi)殼層的空穴并釋放出光子能量；這種光子能量被另一個(gè)電子吸收，導(dǎo)致其從原子激發(fā)出來(lái)。這個(gè)被激發(fā)的電子就是俄歇電子。這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為俄歇效應(yīng)。

Auger electron emission

        入射電子束和物質(zhì)作用，可以激發(fā)出原子的內(nèi)層電子。外層電子向內(nèi)層躍遷過(guò)程中所釋放的能量，可能以X光的形式放出，即產(chǎn)生特征X射線(xiàn)，也可能又使核外另一電子激發(fā)成為自由電子，這種自由電子就是俄歇電子。對(duì)于一個(gè)原子來(lái)說(shuō),激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時(shí)只能進(jìn)行一種發(fā)射：特征X射線(xiàn)或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線(xiàn)的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當(dāng)原子序數(shù)為33時(shí)，兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。

        如果電子束將某原子K層電子激發(fā)為自由電子，L層電子躍遷到K層，釋放的能量又將L層的另一個(gè)電子激發(fā)為俄歇電子，這個(gè)俄歇電子就稱(chēng)為KLL俄歇電子。同樣，LMM俄歇電子是L層電子被激發(fā)，M層電子填充到L層，釋放的能量又使另一個(gè)M層電子激發(fā)所形成的俄歇電子。

        只要測(cè)定出俄歇電子的能量，對(duì)照現(xiàn)有的俄歇電子能量圖表，即可確定樣品表面的成份。由于一次電子束能量遠(yuǎn)高于原子內(nèi)層軌道的能量，可以激發(fā)出多個(gè)內(nèi)層電子，會(huì)產(chǎn)生多種俄歇躍遷，因此,在俄歇電子能譜圖上會(huì)有多組俄歇峰，雖然使定性分析變得復(fù)雜，但依靠多個(gè)俄歇峰,會(huì)使得定性分析準(zhǔn)確度很高，可以進(jìn)行除氫氦之外的多元素一次定性分析。同時(shí),還可以利用俄歇電子的強(qiáng)度和樣品中原子濃度的線(xiàn)性關(guān)系,進(jìn)行元素的半定量分析,俄歇電子能譜法是一種靈敏度很高的表面分析方法。其信息深度為5nm以?xún)?nèi),檢出限可達(dá)到0.1%atom。是一種很有用的分析方法。

系統(tǒng)組成

        AES主要由超高真空系統(tǒng)、肖特基場(chǎng)發(fā)射電子槍、CMA同軸式筒鏡能量分析器、五軸樣品臺(tái)、離子槍等組成。以ULVAC-PHI的PHI 710舉例，其核心分析能力為25 kV肖特基熱場(chǎng)發(fā)射電子源，與筒鏡式電子能量分析器CMA同軸。伴隨著這一核心技術(shù)是閃爍二次電子探測(cè)器、 高性能低電壓浮式氬濺射離子槍、高精度自動(dòng)的五軸樣品臺(tái)和PHI創(chuàng)新的儀器控制和數(shù)據(jù)處理軟件包：SmartSoft AES ? 和 MultiPak ?。并且，目前ULVAC-PHI的PHI 710可以擴(kuò)展冷脆斷樣品臺(tái)、EDS、EBSD、BSE、FIB等技術(shù)，深受廣大用戶(hù)認(rèn)可。

PHI710激發(fā)源，分析器和探測(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖：

        為滿(mǎn)足當(dāng)今納米材料的應(yīng)用需求，PHI 710提供了最高穩(wěn)定性的 AES 成像平臺(tái)。隔聲罩、 低噪聲電子系統(tǒng)、 穩(wěn)定的樣品臺(tái)和可靠的成像匹配軟件可實(shí)現(xiàn) AES對(duì)納米級(jí)形貌特征的成像和采譜。

        真正的超高真空（UHV）可保證分析過(guò)程中樣品不受污染，可進(jìn)行明確、準(zhǔn)確的表面表征。測(cè)試腔室的真空是由差分離子泵和鈦升華泵（TSP）抽氣實(shí)現(xiàn)的。肖特基場(chǎng)發(fā)射源有獨(dú)立的抽氣系統(tǒng)以確保發(fā)射源壽命。最新的磁懸浮渦輪分子泵技術(shù)用于系統(tǒng)粗抽，樣品引入室抽真空，和差分濺射離子槍抽氣。為了連接其他分析技術(shù)，如EBSD、 FIB、 EDS 和BSE，標(biāo)配是一個(gè)多技術(shù)測(cè)試腔體。

         PHI 710 是由安裝在一個(gè)帶有 Microsoft Windows ? 操作系統(tǒng)的專(zhuān)用 PC 里的PHI SmartSoft-AES 儀器操作軟件來(lái)控制的。所有PHI電子光譜產(chǎn)品都包括執(zhí)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 PHI MultiPak 數(shù)據(jù)處理軟件用于獲取數(shù)據(jù)的最大信息。710 可應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

AES的應(yīng)用

        掃描俄歇納米探針可分析原材料（粉末顆粒，片材等）表面組成，晶粒觀(guān)察，金相分布，晶間晶界偏析，又可以分析材料表面缺陷如納米尺度的顆粒物、磨痕、污染、腐蝕、摻雜、吸附等，還具備深度剖析功能表征鈍化層，包覆層，摻雜深度，納米級(jí)多層膜層結(jié)構(gòu)等。AES的分析深度4-50 ?，二次電子成像的空間分辨可達(dá) 3納米，成分分布像可達(dá)8納米，分析材料表面元素組成 （Li ~ U），是真正的納米級(jí)表面成分分析設(shè)備?？蓾M(mǎn)足合金、催化、半導(dǎo)體、能源電池材料、電子器件等材料和產(chǎn)品的分析需求。

AES 應(yīng)用的幾種例子，從左到右為半導(dǎo)體FIB-cut，鋰電陰極向陶瓷斷面分析

小結(jié)

本文小編粗淺的介紹了俄歇電子能譜AES的一些基礎(chǔ)知識(shí)，后續(xù)我們還會(huì)提供更有價(jià)值的知識(shí)和信息，希望大家持續(xù)關(guān)注“表面分析家”！

1.問(wèn)：如果樣品本身導(dǎo)電呢？是樣品和樣品托底座之間絕緣？

回復(fù)：樣品本身必須導(dǎo)電，否則很難做俄歇測(cè)試，而再HERO模式時(shí)，樣品并不是接地而是要和樣品托外側(cè)絕緣。

1.問(wèn)：如果樣品本身導(dǎo)電呢？是樣品和樣品托底座之間絕緣？

回復(fù)：樣品本身必須導(dǎo)電，否則很難做俄歇測(cè)試，而再HERO模式時(shí)，樣品并不是接地而是要和樣品托外側(cè)絕緣。

9.問(wèn)：pass energy 是什么？

回復(fù)： pass energy是能量分析器允許電子通過(guò)時(shí)所具備的動(dòng)能（Kinetic Energy）

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