第8章、深度剖析方法1.1角分辨深度剖析2.离子溅射深度剖析3.磨角深度剖析4.面分布状态信息深度剖析方法电子能谱（XPS和AES）的测量不仅可以给●出从所含元素简单的定性指认到复杂化学态分析，以及元素组成的定量分析，还可态分析以及元素组成的定量分析还可以给出非均相样品中每个元素相的分布状态信息。
态信息对非均相覆盖层需要进行深度分布分析●对非均相覆盖层，需要进行深度分布分析来了解元素随深度分布的情况。
深度分布信息分析常用测定样品内部（体相）分布信息的方法：●角分辨深度剖析●电子逃逸深度是有限的●掠射角方向的电子来自于近表面●以一系列的角度采集数据●计算膜厚可达5-10nm●非结构破坏技术●离子溅射深度剖析（d<1 m)离束在样描●离子束在样品表面扫描●样品表面物质被逐渐刻蚀掉●在刻蚀周期间采集XPS谱●建立起样品成分随深度变化的剖析图●结构破坏技术(d~ 8.1、角分辨深度剖析(d λ)对膜厚的超薄膜●≤10 nm的超薄膜，采用非结构破坏性深度剖析。
●通过改变发射角（检测角）来实现。
●改变hν以改变有效的λi。
●若可能，尽量用E相差大的B。
峰⇒不同的λi●改变接收角θ，以改变λi cosθ。
角分辨XPS●ARXPS●电子逃逸深度是有限的●掠射角方向的电子来自于近表面●以一系列的角度采集数据计算膜厚达●计算膜厚可达5-10nm ●非结构破坏技术●Theta Probe 不必倾斜(tilting)样品即可达成10 n m-膜厚度测量ARXPSAR XPS AR-XPS –检测相对于表面不同角度的电子来自于样品中不同深度。
电子来自于A 和B角分辨XPS (ARXPS)用于小于XPS 分析深A t d th 电子仅来自于A度的分析可用数学方法计算出各层的成分厚度和Apparent depth of analysisApparent depth of analysis表观分析深度表观分析深度A 各层的成分、厚度和分布。
BSiO 2/Si=3.4nm适用于SiO 2覆盖厚度为0.2nm~10nm.00.51 1.52 2.53 3.54 4.50515253545Depth分析深度随电子动能的变化●非破坏性获得深度信息的另一种方法是检验相同原子的不非破坏性获得深度信息的另种方法是检验相同原子的不同能级的电子。
非弹性平均自由程随电子动能而变化，通过选择XPS 中容易发生且能量分离大的一对电子跃迁，可以获得一定程度的深度选择性。
●比如Ge 3d 谱(动能1450eV ，λ≈2.8nm)和Ge 2p3/2谱(动能260eV ，λ≈0.8nm)8.2、离子溅射深度剖析（d ）d>>电能谱种表面●电子能谱（XPS和AES）是一种表面灵敏的技术，若和离子溅射蚀刻技术结合起来便可得到元素的深度分布。
合起来便可得到元素的深度分布●由离子束溅射形成了一个直径大于初级束斑的陷口(Crater)，在溅射过程中陷口不断加深，XPS则不断地将陷口底部的元素组份测量出来，从而得到一个元素组成按深度分布。
【例】XPS depth profile of SiO2on SiXPS depth profile of SiO on Si离子刻蚀深度剖析用于深达离子刻蚀深度剖析：用于深达1 m 的分析TungstenTitaniumSilicon (Si)TitaniumSili id (TiSi)Alloy (W/Ti)300 n m Silicon (Si)Silicide (TiSi)离子刻蚀速率（1）离子刻蚀速率(如Ar)轰击样品表面时，将从表面除去当离子束+轰击样品表面时将从表面除去一些原子。
离子刻蚀速率依赖于:()•所用气体的类型-重离子如Ar+比轻离子刻蚀更快•离子的能量-5 kV 离子(fast)比1 kV 离子(slow)刻蚀更快•离子数(或电流) -1 μA电流的离子将是0.1 μA电流的离子刻蚀速率的10x•刻蚀速率也依赖于样品组成，如硅(Si)比钽(Ta)刻蚀更快.离子刻蚀速率氩离子刻蚀速率可由文献报道的溅射产额数据似算得数据近似计算得出。
刻蚀速率S = (I.Y.M) / (100 ρ)[nm/sec]其中：I = 离子电流密度［µA.mm-2］；其中I A2］Y 溅射产额；Y=M = 溅射材料的原子质量；3ρ= 基体材料密度[g.cm-3]些普通材料对氩离子的刻蚀速率表一些普通材料对3 kV元素溅射速率@ 1 µA/mm-2Aluminium, Al0.28 nms-1Al i i Al0281Cobalt, Co0.21Copper, Cu0.18Indium, In0.478I di I0478Iron, Fe0.21Lead, Pb0.57Magnesium, Mg0.7Magnesium Mg07Molybdenum, Mo0.15Nickel, Ni 0.215Platinum Pt016Platinum, Pt 0.16Rhodium, Rh 0.17Silicon, Si 0.22Tantalum, Ta 0.127,Titanium, Ti 0.22Tungsten, W 0.11Zinc, Zn 0.775Zirconium, Zr 0.815（2）离子蚀刻深度剖析方法●深度剖析实验由交替地分析跟着周期性刻蚀然后再分析构成。
离子蚀刻深度剖析方法●可观测到浓度或化学态随深度的变化。
Al OxideMetallic Al离子蚀刻深度剖析Al2O3 SiO2（3）深度剖析实例深度剖析一多层半导体材料(Ti,W合金/钛硅化物/硅) 用XPS溅射剖析进行分析。
溅射过程中应用了样品转动技术来优化剖析进行分析深度分辨。
使用Thermo VG 的高级NLLFS产生剖析图。
【例】多层膜Ni/Cr/CrO/Ni/Cr/Si XPS 例多层膜的深度剖析Depth Profile with Sample Rotation Depth Profile with Sample Rotation（4）深度剖析的影响因素●仪器因素残余气体附●残余气体吸附●溅射物的再沉淀●离子束中的杂质●不均匀离子束强度●时间相关的离子束强度●样品特性●深度信息(IMFP)●原始表面粗糙度●晶体结构和缺陷(Channelling)●合金、化合物、第二相(择优溅射和诱导粗糙度)●辐射诱导效应●初级离子注入●原子混合●溅射诱导粗糙度●择优溅射与化合物的分解●增强的扩散和偏析●电子诱导脱附分析失真电迁移●绝缘体荷电(分析失真；电迁移)（5）离子束溅射深度分析总结Ar离子剥离深度分析方法是一种使用最广泛的深度剖析的方法，●Ar离子剥离深度分析方法是种使用最广泛的深度剖析的方法，是一种破坏性分析方法。
●其优点是可以分析表面层较厚的体系，深度分析的速度较快。
其分析原理是先把表面一定厚度的元素溅射掉，然后再用XPS分析剥离后的表面元素含量，这样就可以获得元素沿样品深度方向的分布。
●缺点是离子束的溅射会引起样品表面晶格的损伤，择优溅射和表面原子混合等现象。
●应注意择优溅射问题、还原效应问题和表面粗糙度问题。
●对于新一代的XPS谱仪，由于采用了小束斑X光源（微米量级），XPS深度分析变得较为现实和常用。
度分析变得较为实常●为了避免离子束的溅射坑效应，离子束的面积应比X光枪束斑面积大4倍以上。
积大4倍以上8.3、磨角的深度剖析膜厚的薄膜线扫描球●对膜厚d > 1 m的薄膜，可进行线扫描球型陷口边缘或斜面磨角的深度剖析。
陷斜角度剖析●磨角深度剖析（Depth profiling ofAngle Lap/Line AnalysisAngle Lap/Line Analysis）8.4、面分布状态信息●样品表面可能并不均匀:●结构●Grids, arrays, patterns…●缺陷●Flaws, scratches, contaminantparticles…ti l●空位●Islands, holes...2D分布状态信息究样分布●为研究样品的空间分布组织:●Mapping●移动样品台, 用小X射线束斑定义分析面积●在每一点采谱来建立图（map）●分辨力受X射线束斑限制●Mapped图范围仅受样品台或样品的限制●Imaging●在固定的分析点使用大X射线束斑i●平行采集电子形成像（image）●比最小X射线束斑分辨更好●成像面积受透镜模式和束斑大小限制高分辨快速化学元素成像高辨素像From an Insulating Micromachined Device●From an Insulating Micromachined DeviceN 1sO 1s●Survey spectrum obtained in 20 susing Al Ka monochromated X-rays N 1s and O 1s overlay image精密单层样品的快速平行成像样品::玻璃衬底上含N和F的有机金属单层图案(Patterned)生(P tt d)物传感器 F 1s image acquired in 8min.Montage of F 1sspectra showing thatimages must beproduced in<10minproduced in <10 min.Overlay of F 1s and N 1s imagesFast Parallel Imaging, Microfocus Spectroscopy & Charge NeutralisationCh N t li tiC 1s image fromcontaminantSpectra from contaminated PTFE:comparison of large area spectrumpand spectrum from contaminationspot Overlay of C-F image(green) and contaminationspot (red)2思考题1.深度剖析的方法有哪几种？2.深度剖析的影响因素有哪些？。