浅谈扫描俄歇纳米探针

简介

        扫描俄歇纳米探针，又称俄歇电子能谱（Auger Electron Spectroscopy，简称AES）是一种表面科学和材料科学的分析技术。根据分析俄歇电子的基本特性得到材料表面元素成分（部分化学态）定性或定量信息。可以对纳米级形貌进行观察和成分表征。近年来，随着超高真空和能谱检测技术的发展，扫描俄歇纳米探针作为一种极为有效的表面分析工具，为探索和研究表面现象的理论和工艺问题，做出了巨大贡献，日益受到科研工作者的普遍重视。

俄歇电子能谱常常应用在包括半导体芯片成分表征等方向

发展历史

        近年来，固体表面分析方法获得了迅速的发展，它是目前分析化学领域中最活跃的分支之一。它的发展与催化研究、材料科学和微型电子器件研制等有关领域内迫切需要了解各种固体表面现象密切相关。各种表面分析方法的建立又为这些领域的研究创造了很有利的条件。在表面组分分析方法中，除化学分析用光电子能谱以外，俄歇电子能谱是最重要的一种。目前它已广泛地应用于化学、物理、半导体、电子、冶金等有关研究领域中。

        俄歇现象于1925年由P.Auger发现。28 年以后，J.J.Lander从二次电子能量分布曲线中第一次辨认出俄歇电子谱线， 但是由于俄歇电子谱线强度低，它常常被淹没在非弹性散射电子的背景中，所以检测它比较困难。

        1968年，L.A.Harris 提出了一种“相敏检测”方法，大大改善了信噪比，使俄歇信号的检测成为可能。以后随着能量分析器的完善,使俄歇谱仪达到了可以实用的阶段。

         1969年圆筒形电子能量分析器应用于AES, 进一步提高了分析的速度和灵敏度。

        1970年通过扫描细聚焦电子束,实现了表面组分的两维分布的分析(所得图像称俄歇图)，出现了扫描俄歇微探针仪器。

        1972年，R.W.Palmberg利用离子溅射，将表面逐层剥离，获得了元素的深度分析，实现了三维分析。至此，俄歇谱仪的基本格局已经确定， AES已迅速地发展成为强有力的固体表面化学分析方法，开始被广泛使用。

基本原理

        俄歇电子是由于原子中的电子被激发而产生的次级电子。当原子内壳层的电子被激发形成一个空穴时，电子从外壳层跃迁到内壳层的空穴并释放出光子能量；这种光子能量被另一个电子吸收，导致其从原子激发出来。这个被激发的电子就是俄歇电子。这个过程被称为俄歇效应。

Auger electron emission

        入射电子束和物质作用，可以激发出原子的内层电子。外层电子向内层跃迁过程中所释放的能量，可能以X光的形式放出，即产生特征X射线，也可能又使核外另一电子激发成为自由电子，这种自由电子就是俄歇电子。对于一个原子来说,激发态原子在释放能量时只能进行一种发射：特征X射线或俄歇电子。原子序数大的元素，特征X射线的发射几率较大，原子序数小的元素，俄歇电子发射几率较大，当原子序数为33时，两种发射几率大致相等。因此，俄歇电子能谱适用于轻元素的分析。

        如果电子束将某原子K层电子激发为自由电子，L层电子跃迁到K层，释放的能量又将L层的另一个电子激发为俄歇电子，这个俄歇电子就称为KLL俄歇电子。同样，LMM俄歇电子是L层电子被激发，M层电子填充到L层，释放的能量又使另一个M层电子激发所形成的俄歇电子。

        只要测定出俄歇电子的能量，对照现有的俄歇电子能量图表，即可确定样品表面的成份。由于一次电子束能量远高于原子内层轨道的能量，可以激发出多个内层电子，会产生多种俄歇跃迁，因此,在俄歇电子能谱图上会有多组俄歇峰，虽然使定性分析变得复杂，但依靠多个俄歇峰,会使得定性分析准确度很高，可以进行除氢氦之外的多元素一次定性分析。同时,还可以利用俄歇电子的强度和样品中原子浓度的线性关系,进行元素的半定量分析,俄歇电子能谱法是一种灵敏度很高的表面分析方法。其信息深度为5nm以内,检出限可达到0.1%atom。是一种很有用的分析方法。

系统组成

        AES主要由超高真空系统、肖特基场发射电子枪、CMA同轴式筒镜能量分析器、五轴样品台、离子枪等组成。以ULVAC-PHI的PHI 710举例，其核心分析能力为25 kV肖特基热场发射电子源，与筒镜式电子能量分析器CMA同轴。伴随着这一核心技术是闪烁二次电子探测器、 高性能低电压浮式氩溅射离子枪、高精度自动的五轴样品台和PHI创新的仪器控制和数据处理软件包：SmartSoft AES ™ 和 MultiPak ™。并且，目前ULVAC-PHI的PHI 710可以扩展冷脆断样品台、EDS、EBSD、BSE、FIB等技术，深受广大用户认可。

PHI710激发源，分析器和探测器结构示意图：

        为满足当今纳米材料的应用需求，PHI 710提供了最高稳定性的 AES 成像平台。隔声罩、 低噪声电子系统、 稳定的样品台和可靠的成像匹配软件可实现 AES对纳米级形貌特征的成像和采谱。

        真正的超高真空（UHV）可保证分析过程中样品不受污染，可进行明确、准确的表面表征。测试腔室的真空是由差分离子泵和钛升华泵（TSP）抽气实现的。肖特基场发射源有独立的抽气系统以确保发射源寿命。最新的磁悬浮涡轮分子泵技术用于系统粗抽，样品引入室抽真空，和差分溅射离子枪抽气。为了连接其他分析技术，如EBSD、 FIB、 EDS 和BSE，标配是一个多技术测试腔体。

         PHI 710 是由安装在一个带有 Microsoft Windows ® 操作系统的专用 PC 里的PHI SmartSoft-AES 仪器操作软件来控制的。所有PHI电子光谱产品都包括执行行业标准的 PHI MultiPak 数据处理软件用于获取数据的最大信息。710 可应用互联网，使用标准的通信协议进行远程操作。

AES的应用

        扫描俄歇纳米探针可分析原材料（粉末颗粒，片材等）表面组成，晶粒观察，金相分布，晶间晶界偏析，又可以分析材料表面缺陷如纳米尺度的颗粒物、磨痕、污染、腐蚀、掺杂、吸附等，还具备深度剖析功能表征钝化层，包覆层，掺杂深度，纳米级多层膜层结构等。AES的分析深度4-50 Å，二次电子成像的空间分辨可达 3纳米，成分分布像可达8纳米，分析材料表面元素组成 （Li ~ U），是真正的纳米级表面成分分析设备。可满足合金、催化、半导体、能源电池材料、电子器件等材料和产品的分析需求。

AES 应用的几种例子，从左到右为半导体FIB-cut，锂电阴极向陶瓷断面分析

小结

本文小编粗浅的介绍了俄歇电子能谱AES的一些基础知识，后续我们还会提供更有价值的知识和信息，希望大家持续关注“表面分析家”！