離子刻蝕深度剖析課件

第8章、深度剖析方法角分辨深度剖析離子濺射深度剖析磨角深度剖析面分布狀態(tài)信息第8章、深度剖析方法角分辨深度剖析深度剖析方法電子能譜（XPS和AES）的測(cè)量不僅可以給出從所含元素簡(jiǎn)單的定性指認(rèn)到復(fù)雜化學(xué)態(tài)分析，以及元素組成的定量分析，還可以給出非均相樣品中每個(gè)元素相的分布狀態(tài)信息。對(duì)非均相覆蓋層，需要進(jìn)行深度分布分析來(lái)了解元素隨深度分布的情況。深度剖析方法電子能譜（XPS和AES）的測(cè)量不僅可以給出從所深度分布信息分析常用測(cè)定樣品內(nèi)部（體相）分布信息的方法：角分辨深度剖析電子逃逸深度是有限的掠射角方向的電子來(lái)自于近表面以一系列的角度采集數(shù)據(jù)計(jì)算膜厚可達(dá)5-10nm非結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)離子濺射深度剖析（d<

1mm)離子束在樣品表面掃描樣品表面物質(zhì)被逐漸刻蝕掉在刻蝕周期間采集XPS譜建立起樣品成分隨深度變化的剖析圖結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)深度分布信息分析常用測(cè)定樣品內(nèi)部（體相）分布信息的方法：8.1、角分辨深度剖析(d~)對(duì)膜厚

10nm的超薄膜，采用非結(jié)構(gòu)破壞性深度剖析。通過(guò)改變發(fā)射角（檢測(cè)角）來(lái)實(shí)現(xiàn)。改變h以改變有效的i。若可能，盡量用EB相差大的峰不同的i。改變接收角，以改變icos。8.1、角分辨深度剖析(d~)對(duì)膜厚10nm的角分辨XPSARXPS電子逃逸深度是有限的掠射角方向的電子來(lái)自于近表面以一系列的角度采集數(shù)據(jù)計(jì)算膜厚可達(dá)5-10nm非結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)ThetaProbe不必傾斜(tilting)樣品即可達(dá)成10nm角分辨XPSARXPS10nm膜厚度測(cè)量-ARXPSAR-XPS–檢測(cè)相對(duì)于表面不同角度的電子來(lái)自于樣品中不同深度。角分辨XPS(ARXPS)用于小于XPS分析深度的分析

可用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出各層的成分、厚度和分布。Apparentdepth

ofanalysisApparentdepth

ofanalysis表觀分析深度表觀分析深度電子來(lái)自于A和B電子僅來(lái)自于AAB膜厚度測(cè)量-ARXPSAR-XPS–檢測(cè)相對(duì)于表面不膜厚測(cè)量假設(shè)在襯底B表面有一厚度為dA的薄覆蓋層A。來(lái)自B的信號(hào)強(qiáng)度為來(lái)自覆蓋層A的信號(hào)強(qiáng)度為因此可用來(lái)確定覆蓋層的厚度dA。如果A(EA)A(EB)，即如果兩峰的結(jié)合能位置相近，這一方程就轉(zhuǎn)化為以對(duì)作圖，其直線斜率等于膜厚測(cè)量假設(shè)在襯底B表面有一厚度為dA的薄覆蓋層A。SiO2/Sil=3.4nm適用于SiO2覆蓋厚度為0.2nm~10nm.SiO2/Sil=3.4nm適用于SiO2覆蓋厚度為0.2nC1sN1sSi2pO1sRelativeDepthC1sO1sN1sSi2pON1sOSi2pC1sN1sN1sOO1sSi2pOSi2pAtomicpercent(%)Depth0204060304050607080Atomicpercent(%)Angle(°)SurfaceBulk[例]ARXPS–硅氧氮化物

C1sN1sSi2pO1sRelativeDepthC1s分析深度隨電子動(dòng)能的變化非破壞性獲得深度信息的另一種方法是檢驗(yàn)相同原子的不同能級(jí)的電子。非彈性平均自由程隨電子動(dòng)能而變化，通過(guò)選擇XPS中容易發(fā)生且能量分離大的一對(duì)電子躍遷，可以獲得一定程度的深度選擇性。比如Ge3d譜(動(dòng)能1450eV，λ≈2.8nm)和Ge2p3/2譜(動(dòng)能260eV，λ≈0.8nm)分析深度隨電子動(dòng)能的變化非破壞性獲得深度信息的另一種方法是檢8.2、離子濺射深度剖析（d>>）

電子能譜（XPS和AES）是一種表面靈敏的技術(shù)，若和離子濺射蝕刻技術(shù)結(jié)合起來(lái)便可得到元素的深度分布。由離子束濺射形成了一個(gè)直徑大于初級(jí)束斑的陷口(Crater)，在濺射過(guò)程中陷口不斷加深，XPS則不斷地將陷口底部的元素組份測(cè)量出來(lái)，從而得到一個(gè)元素組成按深度分布?！纠縓PSdepthprofileofSiO2onSi8.2、離子濺射深度剖析（d>>）電子能譜（XPS和AE離子刻蝕深度剖析：用于深達(dá)1mm的分析Silicon(Si)Silicon(Si)TitaniumSilicide(TiSi)

TungstenTitaniumAlloy(W/Ti)300nm離子刻蝕深度剖析：用于深達(dá)1mm的分析Silicon(Si（1）離子刻蝕速率當(dāng)離子束

(如Ar+)轟擊樣品表面時(shí)，將從表面除去一些原子。離子刻蝕速率依賴于:所用氣體的類型

-重離子(如Ar+)比輕離子刻蝕更快離子的能量

-5kV離子(fast)比1kV離子

(slow)刻蝕更快離子數(shù)

(或電流)-1mA電流的離子將是0.1mA電流的離子刻蝕速率的10x刻蝕速率也依賴于樣品組成，如硅(Si)比鉭(Ta)刻蝕更快.（1）離子刻蝕速率當(dāng)離子束(如Ar+)轟擊樣品表面時(shí)，將從離子刻蝕速率氬離子刻蝕速率可由文獻(xiàn)報(bào)道的濺射產(chǎn)額數(shù)據(jù)近似計(jì)算得出?？涛g速率S=(I.Y.M)/(100r)

[nm/sec]其中：I=離子電流密度［μA.mm-2］； Y=濺射產(chǎn)額； M=濺射材料的原子質(zhì)量；

r=基體材料密度[g.cm-3]離子刻蝕速率氬離子刻蝕速率可由文獻(xiàn)報(bào)道的濺射產(chǎn)額數(shù)據(jù)近似計(jì)算一些普通材料對(duì)3kV氬離子的刻蝕速率表元素濺射速率@1μA/mm-2Aluminium,Al0.28nms-1Cobalt,Co0.21Copper,Cu0.18Indium,In0.478Iron,Fe0.21Lead,Pb0.57Magnesium,Mg0.7Molybdenum,Mo0.15Nickel,Ni0.215Platinum,Pt0.16Rhodium,Rh0.17Silicon,Si0.22Tantalum,Ta0.127Titanium,Ti0.22Tungsten,W0.11Zinc,Zn0.775Zirconium,Zr0.815一些普通材料對(duì)3kV氬離子的刻蝕速率表元素濺射速率@1離子刻蝕深度剖析課件深度剖析實(shí)驗(yàn)由交替地分析跟著周期性刻蝕然后再分析構(gòu)成。可觀測(cè)到濃度或化學(xué)態(tài)隨深度的變化。MetallicAlAlOxide（2）離子蝕刻深度剖析方法深度剖析實(shí)驗(yàn)由交替地分析跟著周期性刻蝕然后再分析構(gòu)成。Met離子蝕刻深度剖析離子蝕刻深度剖析深度信息深度剖析例子-Al2O3onSiO2

0102030405060700100200300400500Atomicpercent(%)EtchTime(s)Al2pOxideAl2pSi2pC1sO1sCAl2O3SiO2Al2pSi2pC1sO1s深度信息深度剖析例子-Al2O3onSiO2010（3）深度剖析實(shí)例深度剖析

一多層半導(dǎo)體材料(Ti,W合金/鈦硅化物/硅)用XPS濺射剖析進(jìn)行分析。濺射過(guò)程中應(yīng)用了樣品轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)來(lái)優(yōu)化深度分辨。使用ThermoVG的高級(jí)NLLFS產(chǎn)生剖析圖。（3）深度剖析實(shí)例深度剖析

一多層半導(dǎo)體材料(Ti,W合金【例】多層膜Ni/Cr/CrO/Ni/Cr/Si的XPS深度剖析【例】多層膜Ni/Cr/CrO/Ni/Cr/Si的XPS深DepthProfilewithSampleRotation

DepthProfilewithSampleRota（4）深度剖析的影響因素儀器因素殘余氣體吸附濺射物的再沉淀離子束中的雜質(zhì)不均勻離子束強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)的離子束強(qiáng)度樣品特性深度信息(IMFP)原始表面粗糙度晶體結(jié)構(gòu)和缺陷(Channelling)合金、化合物、第二相(擇優(yōu)濺射和誘導(dǎo)粗糙度)輻射誘導(dǎo)效應(yīng)初級(jí)離子注入原子混合濺射誘導(dǎo)粗糙度擇優(yōu)濺射與化合物的分解增強(qiáng)的擴(kuò)散和偏析電子誘導(dǎo)脫附絕緣體荷電(分析失真；電遷移)（4）深度剖析的影響因素儀器因素（5）離子束濺射深度分析總結(jié)Ar離子剝離深度分析方法是一種使用最廣泛的深度剖析的方法，是一種破壞性分析方法。其優(yōu)點(diǎn)是可以分析表面層較厚的體系，深度分析的速度較快。其分析原理是先把表面一定厚度的元素濺射掉，然后再用XPS分析剝離后的表面元素含量，這樣就可以獲得元素沿樣品深度方向的分布。缺點(diǎn)是離子束的濺射會(huì)引起樣品表面晶格的損傷，擇優(yōu)濺射和表面原子混合等現(xiàn)象。應(yīng)注意擇優(yōu)濺射問(wèn)題、還原效應(yīng)問(wèn)題和表面粗糙度問(wèn)題。對(duì)于新一代的XPS譜儀，由于采用了小束斑X光源（微米量級(jí)），XPS深度分析變得較為現(xiàn)實(shí)和常用。為了避免離子束的濺射坑效應(yīng)，離子束的面積應(yīng)比X光槍束斑面積大4倍以上。（5）離子束濺射深度分析總結(jié)Ar離子剝離深度分析方法是一種使8.3、磨角的深度剖析

對(duì)膜厚d>1mm的薄膜，可進(jìn)行線掃描球型陷口邊緣或斜面磨角的深度剖析。磨角深度剖析（DepthprofilingofAngleLap/LineAnalysis）8.3、磨角的深度剖析對(duì)膜厚d>1mm的薄膜，可進(jìn)行樣品表面可能并不均勻:結(jié)構(gòu)Grids,arrays,patterns…缺陷Flaws,scratches,contaminantparticles…空位Islands,holes...8.4、面分布狀態(tài)信息樣品表面可能并不均勻:8.4、面分布狀態(tài)信息2D分布狀態(tài)信息為研究樣品的空間分布組織:Mapping移動(dòng)樣品臺(tái),用小X射線束斑定義分析面積在每一點(diǎn)采譜來(lái)建立圖（map）分辨力受X射線束斑限制Mapped圖范圍僅受樣品臺(tái)或樣品的限制Imaging在固定的分析點(diǎn)使用大X射線束斑平行采集電子形成像（image）比最小X射線束斑分辨更好成像面積受透鏡模式和束斑大小限制2D分布狀態(tài)信息為研究樣品的空間分布組織:O1sN1s高分辨快速化學(xué)元素成像FromanInsulatingMicromachinedDeviceSurveyspectrumobtainedin20s

usingAlKamonochromatedX-raysN1sandO1soverlayimageO1sN1s高分辨快速化學(xué)元素成像FromanInsMontageofF1sspectrashowingthatimagesmustbeproducedin<10min.精密單層樣品的快速平行成像樣品:玻璃襯底上含N和F的有機(jī)金屬單層圖案(Patterned)生物傳感器F1simageacquiredin8min.OverlayofF1sandN1simagesMontageofF1sspectrashowinSpectrafromcontaminatedPTFE:comparisonoflargeareaspectrumandspectrumfromcontaminationspotC1simagefromcontaminantOverlayofC-Fimage(green)andcontaminationspot(red)2FastParallelImaging,MicrofocusSpectroscopy&ChargeNeutralisationSpectrafromcontaminatedPTFE思考題深度剖析的方法有哪幾種？深度剖析的影響因素有哪些？思考題深度剖析的方法有哪幾種？第8章、深度剖析方法角分辨深度剖析離子濺射深度剖析磨角深度剖析面分布狀態(tài)信息第8章、深度剖析方法角分辨深度剖析深度剖析方法電子能譜（XPS和AES）的測(cè)量不僅可以給出從所含元素簡(jiǎn)單的定性指認(rèn)到復(fù)雜化學(xué)態(tài)分析，以及元素組成的定量分析，還可以給出非均相樣品中每個(gè)元素相的分布狀態(tài)信息。對(duì)非均相覆蓋層，需要進(jìn)行深度分布分析來(lái)了解元素隨深度分布的情況。深度剖析方法電子能譜（XPS和AES）的測(cè)量不僅可以給出從所深度分布信息分析常用測(cè)定樣品內(nèi)部（體相）分布信息的方法：角分辨深度剖析電子逃逸深度是有限的掠射角方向的電子來(lái)自于近表面以一系列的角度采集數(shù)據(jù)計(jì)算膜厚可達(dá)5-10nm非結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)離子濺射深度剖析（d<

1mm)離子束在樣品表面掃描樣品表面物質(zhì)被逐漸刻蝕掉在刻蝕周期間采集XPS譜建立起樣品成分隨深度變化的剖析圖結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)深度分布信息分析常用測(cè)定樣品內(nèi)部（體相）分布信息的方法：8.1、角分辨深度剖析(d~)對(duì)膜厚

10nm的超薄膜，采用非結(jié)構(gòu)破壞性深度剖析。通過(guò)改變發(fā)射角（檢測(cè)角）來(lái)實(shí)現(xiàn)。改變h以改變有效的i。若可能，盡量用EB相差大的峰不同的i。改變接收角，以改變icos。8.1、角分辨深度剖析(d~)對(duì)膜厚10nm的角分辨XPSARXPS電子逃逸深度是有限的掠射角方向的電子來(lái)自于近表面以一系列的角度采集數(shù)據(jù)計(jì)算膜厚可達(dá)5-10nm非結(jié)構(gòu)破壞技術(shù)ThetaProbe不必傾斜(tilting)樣品即可達(dá)成10nm角分辨XPSARXPS10nm膜厚度測(cè)量-ARXPSAR-XPS–檢測(cè)相對(duì)于表面不同角度的電子來(lái)自于樣品中不同深度。角分辨XPS(ARXPS)用于小于XPS分析深度的分析

可用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出各層的成分、厚度和分布。Apparentdepth

ofanalysisApparentdepth

ofanalysis表觀分析深度表觀分析深度電子來(lái)自于A和B電子僅來(lái)自于AAB膜厚度測(cè)量-ARXPSAR-XPS–檢測(cè)相對(duì)于表面不膜厚測(cè)量假設(shè)在襯底B表面有一厚度為dA的薄覆蓋層A。來(lái)自B的信號(hào)強(qiáng)度為來(lái)自覆蓋層A的信號(hào)強(qiáng)度為因此可用來(lái)確定覆蓋層的厚度dA。如果A(EA)A(EB)，即如果兩峰的結(jié)合能位置相近，這一方程就轉(zhuǎn)化為以對(duì)作圖，其直線斜率等于膜厚測(cè)量假設(shè)在襯底B表面有一厚度為dA的薄覆蓋層A。SiO2/Sil=3.4nm適用于SiO2覆蓋厚度為0.2nm~10nm.SiO2/Sil=3.4nm適用于SiO2覆蓋厚度為0.2nC1sN1sSi2pO1sRelativeDepthC1sO1sN1sSi2pON1sOSi2pC1sN1sN1sOO1sSi2pOSi2pAtomicpercent(%)Depth0204060304050607080Atomicpercent(%)Angle(°)SurfaceBulk[例]ARXPS–硅氧氮化物

C1sN1sSi2pO1sRelativeDepthC1s分析深度隨電子動(dòng)能的變化非破壞性獲得深度信息的另一種方法是檢驗(yàn)相同原子的不同能級(jí)的電子。非彈性平均自由程隨電子動(dòng)能而變化，通過(guò)選擇XPS中容易發(fā)生且能量分離大的一對(duì)電子躍遷，可以獲得一定程度的深度選擇性。比如Ge3d譜(動(dòng)能1450eV，λ≈2.8nm)和Ge2p3/2譜(動(dòng)能260eV，λ≈0.8nm)分析深度隨電子動(dòng)能的變化非破壞性獲得深度信息的另一種方法是檢8.2、離子濺射深度剖析（d>>）

電子能譜（XPS和AES）是一種表面靈敏的技術(shù)，若和離子濺射蝕刻技術(shù)結(jié)合起來(lái)便可得到元素的深度分布。由離子束濺射形成了一個(gè)直徑大于初級(jí)束斑的陷口(Crater)，在濺射過(guò)程中陷口不斷加深，XPS則不斷地將陷口底部的元素組份測(cè)量出來(lái)，從而得到一個(gè)元素組成按深度分布?！纠縓PSdepthprofileofSiO2onSi8.2、離子濺射深度剖析（d>>）電子能譜（XPS和AE離子刻蝕深度剖析：用于深達(dá)1mm的分析Silicon(Si)Silicon(Si)TitaniumSilicide(TiSi)

TungstenTitaniumAlloy(W/Ti)300nm離子刻蝕深度剖析：用于深達(dá)1mm的分析Silicon(Si（1）離子刻蝕速率當(dāng)離子束

(如Ar+)轟擊樣品表面時(shí)，將從表面除去一些原子。離子刻蝕速率依賴于:所用氣體的類型

-重離子(如Ar+)比輕離子刻蝕更快離子的能量

-5kV離子(fast)比1kV離子

(slow)刻蝕更快離子數(shù)

(或電流)-1mA電流的離子將是0.1mA電流的離子刻蝕速率的10x刻蝕速率也依賴于樣品組成，如硅(Si)比鉭(Ta)刻蝕更快.（1）離子刻蝕速率當(dāng)離子束(如Ar+)轟擊樣品表面時(shí)，將從離子刻蝕速率氬離子刻蝕速率可由文獻(xiàn)報(bào)道的濺射產(chǎn)額數(shù)據(jù)近似計(jì)算得出?？涛g速率S=(I.Y.M)/(100r)

[nm/sec]其中：I=離子電流密度［μA.mm-2］； Y=濺射產(chǎn)額； M=濺射材料的原子質(zhì)量；

r=基體材料密度[g.cm-3]離子刻蝕速率氬離子刻蝕速率可由文獻(xiàn)報(bào)道的濺射產(chǎn)額數(shù)據(jù)近似計(jì)算一些普通材料對(duì)3kV氬離子的刻蝕速率表元素濺射速率@1μA/mm-2Aluminium,Al0.28nms-1Cobalt,Co0.21Copper,Cu0.18Indium,In0.478Iron,Fe0.21Lead,Pb0.57Magnesium,Mg0.7Molybdenum,Mo0.15Nickel,Ni0.215Platinum,Pt0.16Rhodium,Rh0.17Silicon,Si0.22Tantalum,Ta0.127Titanium,Ti0.22Tungsten,W0.11Zinc,Zn0.775Zirconium,Zr0.815一些普通材料對(duì)3kV氬離子的刻蝕速率表元素濺射速率@1離子刻蝕深度剖析課件深度剖析實(shí)驗(yàn)由交替地分析跟著周期性刻蝕然后再分析構(gòu)成?？捎^測(cè)到濃度或化學(xué)態(tài)隨深度的變化。MetallicAlAlOxide（2）離子蝕刻深度剖析方法深度剖析實(shí)驗(yàn)由交替地分析跟著周期性刻蝕然后再分析構(gòu)成。Met離子蝕刻深度剖析離子蝕刻深度剖析深度信息深度剖析例子-Al2O3onSiO2

0102030405060700100200300400500Atomicpercent(%)EtchTime(s)Al2pOxideAl2pSi2pC1sO1sCAl2O3SiO2Al2pSi2pC1sO1s深度信息深度剖析例子-Al2O3onSiO2010（3）深度剖析實(shí)例深度剖析

一多層半導(dǎo)體材料(Ti,W合金/鈦硅化物/硅)用XPS濺射剖析進(jìn)行分析。濺射過(guò)程中應(yīng)用了樣品轉(zhuǎn)動(dòng)技術(shù)來(lái)優(yōu)化深度分辨。使用ThermoVG的高級(jí)NLLFS產(chǎn)生剖析圖。（3）深度剖析實(shí)例深度剖析

一多層半導(dǎo)體材料(Ti,W合金【例】多層膜Ni/Cr/CrO/Ni/Cr/Si的XPS深度剖析【例】多層膜Ni/Cr/CrO/Ni/Cr/Si的XPS深DepthProfilewithSampleRotation

DepthProfilewithSampleRota（4）深度剖析的影響因素儀器因素殘余氣體吸附濺射物的再沉淀離子束中的雜質(zhì)不均勻離子束強(qiáng)度時(shí)間相關(guān)的離子束強(qiáng)度樣品特性深度信息(IMFP)原始表面粗糙度晶體結(jié)構(gòu)和缺陷(Channelling)合金、化合物、第二相(擇優(yōu)濺射和誘導(dǎo)粗糙度)輻射誘導(dǎo)效應(yīng)初級(jí)離子注入原子混合濺射誘導(dǎo)粗糙度擇優(yōu)濺射與化合物的分解增強(qiáng)的擴(kuò)散和偏析電子誘導(dǎo)脫附絕緣體荷電(分析失真；電遷移)（4）深度剖析的影響因素儀器因素（5）離子束濺射深度分析總結(jié)Ar離子剝離深度分析方法是一種使用最廣泛的深度剖析的方法，是一種破壞性分析方法。其優(yōu)點(diǎn)是可以分析表面層較厚的體系，深度分析的速度較快。其分析原理是先把表面一定厚度的元素濺射掉，然后再用XPS分析剝離后的表面元素含量，這樣就可以獲得元素沿樣品深度方向的分布。缺點(diǎn)是離子束的濺射會(huì)引起樣品表面晶格的損傷，擇優(yōu)濺射和表面原子混合等現(xiàn)象。應(yīng)注意擇優(yōu)濺射問(wèn)題、還原效應(yīng)問(wèn)題和表面粗糙度問(wèn)題。對(duì)于新一代的XPS譜儀，由于采用了小束斑X光源（微米量級(jí)），XPS深度分析變得較為現(xiàn)實(shí)和常用。為了避免離子束的濺射坑效應(yīng)，離子束的面積應(yīng)比X光槍束斑面積大4倍以上。（5）離子束濺射深度分析總結(jié)Ar離子剝離深度分析方法是一種使8.3、磨角的深度剖析

對(duì)膜厚d>1mm的薄膜，可進(jìn)行線掃描球型陷口邊緣或斜面磨角的深度剖析。磨角深度剖析（DepthprofilingofAngleLap/LineAnalysis）8.3、磨角的深度剖析對(duì)膜厚d>1mm的薄膜，可進(jìn)行樣品表面可能并不均勻:結(jié)構(gòu)Grids,arrays,