簡介

        掃描俄歇納米探針，又稱俄歇電子能譜（Auger Electron Spectroscopy，簡稱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。可以對納米級形貌進(jìn)行觀察和成分表征。近年來，隨著超高真空和能譜檢測技術(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，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中第一次辨認(rèn)出俄歇電子譜線， 但是由于俄歇電子譜線強(qiáng)度低，它常常被淹沒在非彈性散射電子的背景中，所以檢測它比較困難。

        1968年，L.A.Harris 提出了一種“相敏檢測”方法，大大改善了信噪比，使俄歇信號的檢測成為可能。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。這個(gè)被激發(fā)的電子就是俄歇電子。這個(gè)過程被稱為俄歇效應(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，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。對于一個(gè)原子來說,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射線或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征X射線的發(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。

        只要測定出俄歇電子的能量，對照現(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，會產(chǎn)生多種俄歇躍遷，因此,在俄歇電子能譜圖上會有多組俄歇峰，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以內(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)、肖特基場發(fā)射電子槍、CMA同軸式筒鏡能量分析器、五軸樣品臺、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、EDS、EBSD、BSE、FIB等技術(shù)，深受廣大用戶認(rèn)可。

PHI710激發(fā)源，分析器和探測器結(jié)構(gòu)示意圖：

        為滿足當(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。隔聲罩、 低噪聲電子系統(tǒng)、 穩(wěn)定的樣品臺和可靠的成像匹配軟件可實(shí)現(xiàn) AES對納米級形貌特征的成像和采譜。

        真正的超高真空（UHV）可保證分析過程中樣品不受污染，可進(jìn)行明確、準(zhǔn)確的表面表征。測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)測試腔體。

         PHI 710 是由安裝在一個(gè)帶有 Microsoft Windows ? 操作系統(tǒng)的專用 PC 里的PHI SmartSoft-AES 儀器操作軟件來控制的。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），是真正的納米級表面成分分析設(shè)備?？蓾M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，后續(xù)我們還會提供更有價(jià)值的知識和信息，希望大家持續(xù)關(guān)注“表面分析家”！

1.問：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：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：pass energy 是什么？

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

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       JEOL 的場發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-7800F采用了新開發(fā)的檢測器系統(tǒng)，因此，即使在１ｋV以下的低加速電壓范圍內(nèi)，也能夠有選擇地檢測樣品中產(chǎn)生的電子能量帶。下面介紹這種新型檢測器系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例：

新型檢測器的原理圖

       通過調(diào)整UED 過濾器 偏壓，能夠同時(shí)獲得以二次電子為主的圖像和以背散射電子為主的圖像 樣品：氧化鈦負(fù)載的金顆粒、加速電壓： 2 kV、 UED 過濾器 偏壓 :-0.5 kV

       迄今為止，在較高的加速電壓范圍內(nèi)，對二次電子[通過Everhart-Thornley（E-T）檢測器]和背散射電子 （通過半導(dǎo)體檢測器）使用不同的檢測器來進(jìn)行各種電子的觀察。不過，近來在１ｋV以下的低加速電壓范 圍內(nèi)，開始出現(xiàn)了精確選擇并檢測二次電子和背散射電子的方法?，F(xiàn)在JEOL Z新型的場發(fā)射掃描電子顯微 鏡JSM-7800F就采用了新開發(fā)的檢測器系統(tǒng)，因此，即使在１ｋV以下的低加速電壓條件下，也能夠有選擇性 地檢測樣品中產(chǎn)生的電子能帶。下面介紹這種新型檢測器系統(tǒng)的原理和應(yīng)用實(shí)例：

新型檢測器的原理

UED過濾器探測低于E V的能帶時(shí)

       結(jié)合使用USD和UED，能夠選擇二次電子和背散射電子。此外USD和UED可以同時(shí)檢測。因此，可以同時(shí)獲取二次電子和背散射電子。

       應(yīng)用實(shí)例：觀察鋰離子電池正極的結(jié)果

       上面是在1 kV的加速電壓下對鋰離子電池正極材料的表面，利用USD主要觀察二次電子（0～30 eV）、利用 UED主要觀察背散射電子（990～1000 eV）的結(jié)果。以二次電子為主的圖像顯示了包括邊緣襯度等的形貌信 息，以背散射電子為主的圖像能夠觀察電極中因含有鈷或碳而形成的成分襯度。應(yīng)用這些技術(shù)不僅能獲得 表面形貌還能獲得成份信息。

面對電子半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)、品質(zhì)的各種觀察、分析、測量要求。

比如打線結(jié)合，BGA高度，鍍層的表面通常很難直觀地觀察及測量，但是基恩士VHX-7000N系列高清數(shù)碼顯微鏡能夠提供精 準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持和高清結(jié)構(gòu)觀察。

金線高度檢測

BGA高度檢測

同時(shí)也能直接觀察和測量鍍層表面面積占比，為改善鍍層工藝提供更精 準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考。

連接器鍍層檢測

概述：

某一維線性尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的其他二維尺度的材料成為薄膜材料，理論上薄膜材料厚度介于單原子到幾毫米，但由于厚度小于100nm的薄膜已經(jīng)被稱為二維材料，因此薄膜材料通常指厚度介于微米到毫米的薄金屬或有機(jī)物層。

薄膜材料可以分為非電子薄膜材料和電子薄膜材料，非電子薄膜材料需要對其電學(xué)特性進(jìn)行分析，不是本方案針對的對象。電子薄膜又可以分為導(dǎo)電薄膜，介質(zhì)薄膜，半導(dǎo)體薄膜，電阻薄膜，磁性薄膜，壓電薄膜，光電薄膜，熱電薄膜，超導(dǎo)薄膜等，表面電阻率是電子薄膜電學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)。

電子薄膜材料表面電阻測試：

表面電阻率測試常用方法是四探針法和范德堡法，但對電子薄膜材料，范德堡法很少應(yīng)用。多數(shù)情況下，電子薄膜材料電阻率測試對測試儀器的要求沒有二維材料/石墨烯材料高，用源表加探針臺即可手動(dòng)或編寫軟件自動(dòng)完成測試。

電子薄膜材料電阻率測試面臨的挑戰(zhàn)：

●電子薄膜種類多，電阻率特性不同

 需選擇適合的SMU進(jìn)行測試

●被測樣品形狀復(fù)雜，需選擇適當(dāng)?shù)男拚齾?shù)

厚度修正系數(shù)對測試結(jié)果的營銷F（W/S）

原片直徑修正系數(shù)對測試結(jié)果的營銷

溫度修正系數(shù)對測試結(jié)果的影響

●環(huán)境對測試結(jié)果有影響

利用電流換向測試消除熱電勢誤差

●利用多次平均提高測試精度

需考慮測試成本

吉時(shí)利電子薄膜材料測試方案：

1、  通用配置

a.吉時(shí)利源表2450/2460/2461

b.四探針臺（間距1mm）

c.測試軟件（安泰測試系統(tǒng)集成可開發(fā)）

2、高阻電子薄膜材料測試方案

a.6221/2182A+6514X2+2000DMM

b.第三方探針臺

c.手動(dòng)或軟件編程

方案優(yōu)勢：

1、  不同配置滿足不同電子薄膜材料電阻率測試需求

2、  高精度源表，即可手動(dòng)測試，也可以編程自動(dòng)測試

3、  高性價(jià)比

吉時(shí)利源表作為電學(xué)測量的常用儀器，在高校和研究所的相關(guān)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)幾乎都能看到，源表集多表合一、配上專業(yè)軟件可以實(shí)現(xiàn)各種定制測量，使用非常廣泛。

安泰測試作為泰克吉時(shí)利長期合作伙伴，專業(yè)提供設(shè)備選型和測試方案的提供，為西安多家企業(yè)和院校提供吉時(shí)利源表現(xiàn)場演示，并獲得客戶的高度認(rèn)可，如果您想了解吉時(shí)利源表更多應(yīng)用方案，歡迎訪問安泰測試網(wǎng)。