O1s
Si2p
100 90
80
70
60
50

30
20
10
0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Atomic percent (%)
Depth
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 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。
[例] ARXPS – 硅氧氮化物
Atomic percent (%) 60 Surface 40 20 0 80 70 60 50 Angle (°) 40 O1s 30 C1s
Bulk
C1s
N1s
C1s N1s N1sO O1s Si2pO Si2p
Si2p N1sO Si2pO N1s Relative Depth
当离子束 (如Ar+)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 mA电流的离子将是0.1 mA电流的 离子刻蚀速率的 10x
B 0 B A A B
A
0 A
A
A
A
A 1 exp E IA I A A cos IB I dA exp A EB cos 0 B 0 A

可用来确定覆盖层的厚度dA。如果A(EA)A(EB)，即如 果两峰的结合能位置相近，这一方程就转化为 以
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 数据近似计算得出。 刻蚀速率 S = (I.Y.M) / (100 r ) [nm/sec] 其中：I = 离子电流密度［µA.mm-2］； Y = 溅射产额； M = 溅射材料的原子质量； r = 基体材料密度 [g.cm-3]
【例】XPS depth profile of SiO2 on Si
离子刻蚀深度剖析：用于深达1mm的分析
Tungsten Titanium Alloy (W/Ti) 300 nm Silicon (Si) Titanium Silicide (TiSi) Silicon (Si)
（1）离子刻蚀速率

一些普通材料对3 kV 氩离子的刻蚀速率表
元素 Aluminium, Al Cobalt, Co 溅射速率@ 1 µA/mm-2 0.28 nms-1 0.21
Copper, Cu
Indium, In Iron, Fe Lead, Pb
0.18
0.478 0.21 0.57
Magnesium, Mg
第8章、深度剖析方法
1.
2.
3. 4.
角分辨深度剖析 离子溅射深度剖析 磨角深度剖析 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 以给出非均相样品中每个元素相的分布状 态信息。 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。
I I0 ln 1 A B 0 IB IA
I I0 d A A cos ln 1 A B 0 IB II

对 1 cos 作图，其直线斜率等于 d
A
SiO2/Si
=3.4nm
适用于SiO2覆盖厚度为0.2nm~10nm.
Molybdenum, Mo Nickel, Ni Platinum, Pt
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 Theta Probe不必倾斜(tilting)样品即可达成
10 nm
膜厚度测量 - ARXPS
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 电子仅来自于A Apparent depth 表观分析深度 of analysis
8.1、角分辨深度剖析(d ~ )
对膜厚 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h以改变有效的i。 若可能，尽量用EB相差大的 峰不同的i。 改变接收角，以改变i cos。
角分辨XPS

ARXPS


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>>）


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。 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。

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< 1mm) 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
角分辨XPS (ARXPS) 用于小于XPS 分析深 度的分析
可用数学方法计算出 各层的成分、厚度和 分布。
A B
Apparent depth 表观分析深度 of analysis
膜厚测量

假设在衬底B表面有一厚度为dA的薄覆盖层A。 d I I exp 来自B的信号强度为 E cos 来自覆盖层A的信号强度为 I I 1 exp d E cos 因此 d