表面化學(xué)分析 深度剖析 中能離子散射術(shù)對(duì)硅基底上納米尺度重金屬氧化物薄膜的無(wú)損深度剖析 征求意見稿

1GB/TXXXXX—XXXX表面化學(xué)分析深度剖析中能離子散射術(shù)對(duì)硅基底上納米尺度重金屬氧化物薄膜的無(wú)損深度剖析本文件規(guī)定了一種使用中能離子散射譜（MEIS）對(duì)硅基底上無(wú)定形重金屬氧化物超薄膜進(jìn)行定量深度剖析的方法。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。ISO18115表面化學(xué)分析詞匯（Surfacechemicalanalysis—Vocabulary）GB/T22461.2—20233術(shù)語(yǔ)和定義ISO18115-1和ISO18115-2界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。ISO和IEC在以下網(wǎng)址維護(hù)的術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)供標(biāo)準(zhǔn)化使用：—ISO在線瀏覽平臺(tái)：Https:///obp/—IEC電工百科：Https:///3.1電子阻止本領(lǐng)electronicstoppingpower由于與電子的相互作用，作用在帶電粒子通常是α和質(zhì)子上并導(dǎo)致粒子能量損失的延緩力。4MEIS分析的原理和建議4.1厚度小于10nm的超薄膜可以使用MEIS分析。MEIS分析時(shí)使用（100~500）keVH+或者He+離子。精確測(cè)量散射離子能量和角度，以便將測(cè)量的MEIS譜與模擬的MEIS譜進(jìn)行比較。可以使用公共網(wǎng)站、MEIS專家實(shí)驗(yàn)室和MEIS制造商提供的免費(fèi)代碼如PowerMeis1）和SIMNRA2)中的各種程序來(lái)模擬MEIS譜。使用模擬程序計(jì)算散射截面和電子阻止本領(lǐng)。通常，計(jì)算出的電子阻止本領(lǐng)有很大的誤差，因此建議使用IAEA網(wǎng)站4)上列出的電子阻止本領(lǐng)值。4.2如果表格里沒有，則建議用戶測(cè)量電子阻止本領(lǐng)，以獲得更可靠的結(jié)果?？梢允褂酶鞣N類型的能量分析器，如環(huán)形靜電分析器（TEA），磁型分析器（磁性）和TOF能量分析器。若使用本文檔中規(guī)定的MEIS分析程序，根據(jù)本文檔中描述的指南，超薄膜的不確定性可以低于10%。本文檔適用于無(wú)定形或2GB/TXXXXX—XXXX多晶薄膜，不適用于結(jié)晶薄膜。為了減少M(fèi)EIS分析的不確定度，對(duì)散射幾何、離子能量、能量分辨、探測(cè)器效率、樣品對(duì)準(zhǔn)等進(jìn)行額外的校準(zhǔn)是必須的。5.1設(shè)置EIS分析的離子散射條件，如離子能量、散射角、與表面法線的入射角、離子種類和離子劑量。建議離子劑量處于靜態(tài)狀態(tài)（<1015/cm2但與XPS和靜態(tài)SIMS等表面分析相比，MEIS分析的靜態(tài)要求并不嚴(yán)格。5.2用于MEIS分析的樣品宜平整?？諝庋趸?、環(huán)境水和碳?xì)浠衔镂皆斐傻妮p微污染不會(huì)嚴(yán)重干擾MEIS分析。然而，如果表面污染層厚度大于1nm，則應(yīng)采用溶劑洗滌或離子銑削等適當(dāng)方法進(jìn)行清潔。5.3測(cè)量樣品的MEIS譜，將得到在特定角度下強(qiáng)度（counts）與能量（keV）關(guān)系的MEIS譜文件。指定所有離子散射條件，如離子束能量、離子種類、與表面法線的入射角、散射角、離子劑量或離子電流與分析時(shí)間的關(guān)系、束流半徑和能量分析器類型等。5.4對(duì)于厚度約1nm超薄膜的MEIS分析，沒有清晰的基線，因此其重現(xiàn)性可能較差。對(duì)于厚度約1nm超薄膜的MEIS分析，建議以表面面密度而不是厚度或濃度來(lái)表示MEIS分析結(jié)果。5.5如果主離子束電流過高，可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的多次撞擊問題。在每種MEIS分析條件下，應(yīng)通過比較每個(gè)MEIS系統(tǒng)提供的高離子束電流和低離子束電流的MEIS結(jié)果來(lái)核實(shí)數(shù)據(jù)是否受到多次撞擊問題的影響。6.1可以使用附錄B中所列的MEIS實(shí)驗(yàn)室和制造商提供的公共網(wǎng)站和模擬程序中的免費(fèi)代碼（如PowerMeis1）和SIMNRA2)中的各種程序來(lái)模擬MEIS譜。附錄B中舉例給出了PowerMeis1)的詳細(xì)程序。在本文件中，給出了MEIS譜模擬的一般程序作為指引。大多數(shù)MEIS譜模擬程序都基于蒙特卡洛模擬或二元散射的分析計(jì)算和二元散射之間的電子阻止。建議在所有MEIS模擬中考慮多重散射。若采用離子能量低于500keV的He離子獲得MEIS數(shù)據(jù)，分析超過5nm薄膜時(shí)強(qiáng)烈建議包含所有多重散射。SIMNRA2)提供多重散射模擬，用戶可以選擇是否包含該項(xiàng)。通常，在MEIS模擬中的積分步長(zhǎng)、平板厚度或原子密度分別為0.1nm、0.1nm或1×1015個(gè)原子/cm2。在模擬時(shí)，用戶應(yīng)對(duì)線形、橫截面、電子阻止本領(lǐng)、電荷中和和能量分散進(jìn)行如下的描述。電子阻止本領(lǐng)的詳細(xì)描述在6.2中。一般來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單高斯線性可以作為一級(jí)近似的基本線形。對(duì)于以質(zhì)子為入射粒子、δE/E約為8x10-4的高分辨MEIS系統(tǒng)，建議將指數(shù)修正的高斯線性用于超薄膜。也可以根據(jù)需要選擇其他選項(xiàng)。每個(gè)元素的線形參數(shù)σo（附加參數(shù)）由Casp5.2版程序[3]計(jì)算，其中包括每個(gè)入射粒子及其能量和目標(biāo)元素。遵循Caspversion5.2中的說(shuō)明。為了計(jì)算橫截面，可從安德森電勢(shì)、L'Ecuyer電勢(shì)、Moliere電勢(shì)或ZBL電勢(shì)[1]中選擇原子間電勢(shì)。在MEIS分析中，Moliere電勢(shì)被廣泛使用。對(duì)于能量分散，通常選擇Chu或Yang。對(duì)于電荷中和，電勢(shì)范圍為30keV至150keV的H+和30keV至200keV的He+，使用Marion和Young的方程[2]；而對(duì)于電勢(shì)范圍為400keV至500keV的He+，則使用Amstrong方程。Casp電荷-狀態(tài)-分?jǐn)?shù)算法3)可用于具有更好可靠性的He和其他較重離子（如果有的話）。PowerMeis提供Marion和Young的方程和Casp中和。SIMNRA不包含模擬中的中和。3GB/TXXXXX—XXXX 2)https://home.mpcdf.mpg4)可從以下網(wǎng)址獲得：/6.2電子阻止本領(lǐng)由SRIM95或更近期的SRIM2013代碼自動(dòng)計(jì)算，使用該代碼所得結(jié)果不一致性高于10%，可用于非關(guān)鍵的MEIS分析。然而，使用SRIM代碼所得電子阻止本領(lǐng)在中等能量范圍內(nèi)可能會(huì)有重大錯(cuò)誤。對(duì)于一致性低于10%的準(zhǔn)確MEIS分析，建議使用式（1）所描述的IAEA中4）元素和化合物的測(cè)量所得和列表中的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)。如果IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)不足或缺失，可以通過適當(dāng)方法將新測(cè)量的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)添加到IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中，以提高計(jì)算的電子阻止本領(lǐng)的準(zhǔn)確性。據(jù)附錄C的討論，估計(jì)IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中電子阻止本領(lǐng)值的準(zhǔn)確性低于8%。IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)的電子阻止本領(lǐng)可以通過擬合一組電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)來(lái)獲得，這些數(shù)據(jù)可用于公式(1)?？捎糜跀M合IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)的方程如式(1)所示，其中E為離子能量，Z為離子原子序數(shù)，m為離子質(zhì)量。St、Sl、Sh的單位為eV·cm2/1015個(gè)原子，E的單位為keV，m的單位為u。擬合獲取A、B、C、D時(shí)，可以使用 Origin或其他合適的擬合程序。sl(E)=AE(1)式中：st(E)——總電子阻止本領(lǐng)；sl(E)——低能電子的電子阻止本領(lǐng)；sh(E)——高能電子的電子阻止本領(lǐng)；A,B,C,D——擬合參數(shù)；E——離子能量；z——離子的原子序數(shù)；m——離子質(zhì)量；根據(jù)IAEA數(shù)據(jù)4)，計(jì)算出可用的擬合參數(shù)A、B、C和D，并將其列于附錄D，以方便本文件使用者。如果無(wú)法獲得校正因子，離散校正因子通常情況下使用1.0即可。6.3在輸出時(shí)，能量通道寬度和角度通道寬度可以根據(jù)每次MEIS分析的能量和角度分辨進(jìn)行調(diào)整。能量通道寬度一般為0.1keV，獲取一維光譜時(shí)，角度通道寬度宜與探測(cè)器角度寬度相同。在束流中，給出了原子序數(shù)、原子質(zhì)量、束流能量及與表面法線的入射角?？梢哉{(diào)整投射數(shù)，使其與明確指定內(nèi)標(biāo)的MEIS光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相吻合。分析儀類型可在靜電、TOF和磁性中選擇。對(duì)于靜電和磁性分析儀，給出了每個(gè)MEIS測(cè)量獲得的能量分辨半高寬(FWHM)(δE)，散射角和角度寬度(Δθ)。對(duì)于TOF分析儀，根據(jù)特定的TOFMEIS散射條件，另給出了TOF長(zhǎng)度(L)和時(shí)間分辨(δt)。當(dāng)MEIS散射數(shù)據(jù)來(lái)自于面外區(qū)域或大型探測(cè)器時(shí)，使用的是面外角和角度寬度。能量分辨FWHM(δE)或時(shí)間分辨(δt)可通過擬合重金屬樣品潔凈表面的MEIS峰前緣來(lái)測(cè)量。GB/TXXXXX—XXXX6.4在給定了所有模擬和實(shí)驗(yàn)所需參數(shù)后，樣本的結(jié)構(gòu)就構(gòu)建好了。首先，列出模擬中使用的元素。然后，根據(jù)每一層的厚度和組成構(gòu)建層狀薄膜結(jié)構(gòu)。通常，在模擬中包含一個(gè)基底層。如有必要，可引入表面污染層或超薄膜層之間的界面層以改善擬合效果。6.5在給出所有指定的恰當(dāng)值之后，開始模擬。如果所有輸入?yún)?shù)都合適，則將給出模擬光譜。調(diào)整束流中入射源的參數(shù)，以適應(yīng)總體強(qiáng)度或參考層的強(qiáng)度，例如當(dāng)使用內(nèi)部參考層時(shí)，測(cè)量和模擬的MEIS光譜之間的強(qiáng)度一致性。然后手動(dòng)迭代調(diào)整各層的厚度和組成，以獲得MEIS實(shí)測(cè)光譜與模擬光譜的最佳一致性?？ǚ綑z驗(yàn)可用于找到最佳的光譜能量范圍。建議χ2計(jì)算使用的能量范圍下限與基片表面峰能量相差不低于10keV。當(dāng)樣品中含有已知化學(xué)配比的參考層時(shí)，可選擇參考層的高度以確定最小χ2從而確定入射粒子數(shù)。然后通過改變未知層峰位置的擬合能量范圍來(lái)計(jì)算χ2并使其最小化，以確定未知層的組成和厚度。在沒有參考層的情況下，選擇適當(dāng)擬合范圍來(lái)計(jì)算整體χ2可獲得MEIS實(shí)測(cè)光譜與模擬光譜的最佳一致性。6.6MEIS模擬程序生成每層的成分和表面面密度(1015個(gè)原子/cm2)。要將面密度轉(zhuǎn)換為每一層的厚度，需要獲知每一層的密度。如果MEIS分析中使用的薄膜密度是已知的，則使用該數(shù)值。但是，通常這個(gè)數(shù)值是未知的，此時(shí)可以使用堆密度。在非化學(xué)計(jì)量化合物或混合物的情況下，可以使用求和規(guī)則。根據(jù)求和規(guī)則，非化學(xué)計(jì)量化合物的密度ρ(Ax+δxBy+δy)可由式(2)估算。P(AX+δXBy+δy)=(x+δxmA+(y+δymB/{xmA+ymB/PAxBy}(2)式中：P(AX+δXBy+δy)——非化學(xué)計(jì)量化合物Ax+δxBy+δy的密度；m(A)——A組分的質(zhì)量；m(B)——B組分的質(zhì)量；P(AxBy)——化學(xué)計(jì)量化合物AxBy的密度；對(duì)于A和B的混合物，x%的A與y%的B的混合物密度可通過式（3）估算。PAP(Bρ(x%A+y%B=xmA+ymB)/xm(A)+ymB(3)PAP(B式（2）和式（3）中，m為以u(píng)為單位的每種元素或某種化合物的質(zhì)量。將每一層的模擬面原子密度除以每一層的估算密度，即可得到每一層的厚度。使用堆密度值或由求和規(guī)則估計(jì)的密度時(shí)，從MEIS分析獲得的厚度將有誤差。7MEIS譜分析結(jié)果報(bào)告7.1報(bào)告所有MEIS分析條件，如離子束能量、離子種類、離子電流、表面法線入射角、散射角、離子劑量、分析時(shí)間、束流半徑、包括表面污染和表面平整度的樣品描述、樣品制備、MEIS分析室壓力、能量分析器類型和規(guī)格、探測(cè)器類型和規(guī)格。7.2應(yīng)說(shuō)明MEIS譜模擬的詳細(xì)信息，包括模擬程序名稱和所有模擬參數(shù)。7.3建議報(bào)告MEIS分析結(jié)果數(shù)值以表面面密度為單位(1015個(gè)原子/cm2)，或作為深度函數(shù)的濃度(原子分?jǐn)?shù))以面密度為單位(1015個(gè)原子/cm2)。使用體積密度，可以將其報(bào)告為濃度(原子分?jǐn)?shù))作為厚度單位(nm)深度的函數(shù)，但必須明確指出，體積密度是基于超薄膜的假設(shè)。GB/TXXXXX—XXXX實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試報(bào)告A.1概述本附錄提供了關(guān)于中等能量離子散射的納米級(jí)薄膜無(wú)損深度剖面的實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試報(bào)告。A.2原則12名分析人員精確測(cè)量了以Si基底上生長(zhǎng)的一層12nmSiO2層作為基底，在該基底上生長(zhǎng)的標(biāo)稱厚度分別為1nm、3nm、5nm和7nmHfO2薄膜的MEIS譜。使用了三種不同類型的MEIS探測(cè)器，包括靜電型、磁型和TOF。測(cè)量的MEIS譜由每個(gè)參與實(shí)驗(yàn)室模擬，因此一致性較差，為15%。統(tǒng)一由韓國(guó)的權(quán)威實(shí)驗(yàn)室K-MAC模擬后，研究了導(dǎo)致一致性差的電子阻止本領(lǐng)、中和校正等因素，這使MEIS分析結(jié)果的一致性提高到接近8%。A.3樣品描述樣品由韓國(guó)大田的國(guó)家納米工廠中心制備。標(biāo)稱厚度分別為1nm、3nm、5nm和7nm的HfO2薄膜采用原子層沉積法沉積在12nm的SiO2層基底上，該熱SiO2層生長(zhǎng)在6inchSi(001)硅片上。有助于HfO2層均勻平整生長(zhǎng)的12nm熱生長(zhǎng)SiO2層被用作MEIS分析中的內(nèi)部參考樣。在6inch硅片上所沉積膜厚度的均勻性通過橢偏儀5次重復(fù)測(cè)量晶圓上的7個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。因此，厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差估計(jì)約為0.5%。HfO2/SiO2/Si樣品的厚度還通過透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行測(cè)量。HfO2/SiO2/Si薄膜的TEM圖像見圖A.1，樣品的平均厚度見表A.1。a）1nmHfO2/12nm熱SiO2層/硅片b）3nmHfO2/12nm熱SiO2層/硅片GB/TXXXXX—XXXXc）5nmHfO2/12nm熱SiO2層/硅片d）7nmHfO2/12nm熱SiO2層/硅片A.4測(cè)量程序A.4.1測(cè)量對(duì)于MEIS分析，測(cè)量散射離子的能量和角度以進(jìn)行超薄膜的深度剖析。MEIS儀器由離子源、加速器、能量分析器和檢測(cè)器組成，示意圖見圖A.2。離子源產(chǎn)生的離子被加速后撞擊樣品表面。用能量分析器測(cè)量被靶原子核散射的入射離子的能量。散射角由離子源、樣品和探測(cè)器的幾何形狀決定。靜電分析儀、磁分析儀、TOF分析儀被廣泛用作能量分析儀。1——離子源（H+或He+2——散射粒子；7GB/TXXXXX—XXXX4——加速器；5——分析器（靜電型、磁型或TOF6——樣品；該RRT的12名參與者分別是南大河聯(lián)邦大學(xué)（巴西）、IBMWatson（美國(guó)）、西安大略大學(xué)（加拿大）、京都大學(xué)（日本）、全球鑄造（美國(guó)）、三星高級(jí)理工學(xué)院（R.O.韓國(guó)三星電子（R.O.韓國(guó)SK連牛（R.O.韓國(guó)），K-MAC（R.O.韓國(guó)），DGIST（R.O.韓國(guó)），KIST（R.O.韓國(guó)）和哈德斯菲爾德（英國(guó)）。PowerMeis模擬在K-MAC由W.Min進(jìn)行。12名參與單位的實(shí)驗(yàn)條件見表A.2.AH0BHCHDEFGHIJK2LA.4.2MEIS譜模擬采用PowerMeis程序作為模擬工具進(jìn)行分析[3]。它主要由巴西南大河聯(lián)邦大學(xué)PedroGrande小組的MauricioA.Sortica和GabrielM.Marmitt開發(fā)。PowerMeis使用蒙特卡羅方法通過對(duì)隨機(jī)選擇的樣品散射點(diǎn)的單個(gè)散射譜求和來(lái)模擬MEIS譜。根據(jù)離子束在介質(zhì)中的路徑，通過每個(gè)散射的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子和電子停止能量損失來(lái)計(jì)算散射離子能量。根據(jù)每個(gè)位置的束流路徑和系統(tǒng)分辨，通過散射計(jì)算譜峰形狀。本報(bào)告用Moliere勢(shì)計(jì)算散射截面。對(duì)于電子阻止本領(lǐng)，采用SRIM95電子阻止本領(lǐng)和重新擬合所得的電子阻止本領(lǐng)進(jìn)行比較，并采用Chu模型進(jìn)行散射。對(duì)靜電分析儀和磁扇區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行中和校正。Marion中和適用于100keV的H+和He+[2]，而Armstrong中和適用于400~500keV的He+[4]。這兩種情況均可采用Casp程序，可靠性較好[5]。模擬時(shí)厚度計(jì)算使用的HfO2密度為9.68g/cm3，SiO2密度為2.2g/cm3?；瘜W(xué)計(jì)量的熱沉積SiO2(Si:O=1:2)層被用作參考層。入射粒子的數(shù)量由樣品中HfO2下的熱SiO2層中Si的峰高確定。通過擬合SiO2層中Si的峰高來(lái)確定入射粒子數(shù)時(shí)，需要減去Hf峰和Si峰能量范圍之間的背景信號(hào)。背景信號(hào)是由多次散射或樣品粗糙度引起的。從樣品TEM圖像看，背景似乎來(lái)自多次散射而不是粗糙度。背景信號(hào)在Si峰和Hf峰的能量范圍之間幾乎是恒定的。由于模擬是基于單次二元散射，因此在進(jìn)行模擬分析之前，先減去多重散射對(duì)Si峰或Hf峰的貢獻(xiàn)。MEIS分析是在模擬時(shí)通過改變樣品的模型結(jié)構(gòu)來(lái)匹配實(shí)驗(yàn)Hf峰，直到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果之間的差異最小。為簡(jiǎn)單起見，忽略HfO2層與SiO2層之間的界面以及SiO2層與Si基底之間的界面。調(diào)整HfO2的厚度值以適應(yīng)Hf峰的半高寬。圖A.3中，黑色實(shí)心線是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，紅色線則是組成固定的HfO2(Hf:O=1:2)的模擬線，入射粒子很多以適應(yīng)293keV到300keV的SiO2高度?？梢钥闯?，黑線和紅線顯示的Hf峰略有差異，將紅線中Hf的高度乘以常數(shù)C，生成與黑線一致的綠線，使Hf的組成增加至0.33×C。8GB/TXXXXX—XXXX對(duì)于所有的模擬，從SRIM95計(jì)算或重新擬合獲得的電子阻止本領(lǐng)可獲得相同的HfO2電子阻止本領(lǐng)，具體如下所述。X——以keV為單位的能量；Y——以計(jì)數(shù)為單位的散射離子強(qiáng)度。A.4.3SRIM電子阻止本領(lǐng)在RRT中利用PowerMeis模擬程序自動(dòng)計(jì)算獲得的SRIM95電子阻止本領(lǐng)，得到了Hf濃度和HfO2層厚度。采用Moliere電勢(shì)[6]和Chu散落[7]的散射截面。結(jié)果總結(jié)見表A.3。7nm樣品數(shù)據(jù)的平均值為Hf濃度32.3%，厚度6.52nm，數(shù)量1.74×1016原子/cm2。7nm樣品數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為濃度1.7%，厚度1nm，Hf的數(shù)量或表面面密度為2.31×1015原子/cm2。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為濃度5.3%，厚度15%，Hf數(shù)量13.3%，這太高了，無(wú)法成為常規(guī)的實(shí)用分析方法。表A.3使用SRIM95電子停止、Moliere電勢(shì)Hf的數(shù)量(1×1015原子/cm2)ABCDEFGHIJKL注：對(duì)于磁扇區(qū)和靜電分析儀的結(jié)果，Marion中和用于100keVH+和He+，而Armstrong中和則用于400keV到500keV的A.4.4新擬合的電子阻止本領(lǐng)9GB/TXXXXX—XXXX為了消除歧義，測(cè)量了62.3keV和100keVHe+在SiO2上的電子阻止本領(lǐng)，并將其添加到IAEA公開的He+在SiO2上的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)集中，以獲得新的擬合電子阻止曲線。增加了兩個(gè)新測(cè)量的電子阻止本領(lǐng)值，這兩個(gè)值是通過100keVHe+在兩個(gè)不式(1)所示，擬合結(jié)果如表A.4所示。E是離子能量，Z是離子的原子序數(shù)，m是離子的質(zhì)量。St、SIa）H+入射到SiO2上b）H+入射到HfO2上c）He+入射到SiO2上d）He+入射到HfO2上X——能量（keV）Y——電子阻止本領(lǐng)（10eVcm/原子）1——從IAEA實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（分散的圓點(diǎn)）獲得的擬合電子阻2——SRIM95a——新測(cè)量的額外電子阻止值GB/TXXXXX—XXXX2/u·1012原子]D2.95×10-34.56×10-2-22.09×10-34.80×10-12.62×10-22.56×10-1為使用新擬合的電子阻止本領(lǐng)，PowerMeis程序引入了電子阻止本領(lǐng)校正系數(shù)。新擬合的電子阻止本領(lǐng)值通過將每層的校正系數(shù)乘以在SRIM95中已輸入PowerMeis程序的值獲得。電子阻止本領(lǐng)取決于入射離子能量、入射離子種類和樣品組成，因此其在碰撞前后將發(fā)生變化。因此，校正因子需考慮入射和散射離子束路徑、SRIM95獲得的電子阻止本領(lǐng)、E0和KE0的新擬合電子阻止本領(lǐng)。單元層的校正因子通過公式（A.1）獲得。K是散射角的運(yùn)動(dòng)學(xué)因子，α是入射角，β是出射角，E0是離子的初始能量。由于此次實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試的樣品足夠薄，并且沒有變角實(shí)驗(yàn)，因此除非發(fā)生散射事件，離子束在傳輸過程中的能量變化不是很顯著。因此，認(rèn)為從入射路徑的E0到出射路徑的KE0，電子阻止本領(lǐng)均沒有顯著變化。式中：C1——校正因子；Ss——SRIM計(jì)算得到的電子阻止本領(lǐng)；SN——新擬合的電子阻止本領(lǐng)。使用新擬合的電子阻止本領(lǐng)再次進(jìn)行MEIS分析，如表A.5所示。7nmHfO2層Hf濃度平均值為31.5%，厚度為6.25nm，Hf數(shù)量為1.63×1016原子/cm2。7nm樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差為濃度2.3%，厚度0.28nm，Hf數(shù)量1.15×1015原子/cm2。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為濃度7.3%，厚度4.5%，Hf數(shù)量7.0%，與表A.3相比有明顯改善。采用新擬合的電子阻止本領(lǐng)對(duì)數(shù)據(jù)一致性的改善十分明顯，這表明使用準(zhǔn)確的電子阻止本領(lǐng)對(duì)于定量、可靠地進(jìn)行MEIS分析至關(guān)重要。需要指出的是，與厚度大于3nm的HfO2層相比，1nmHfO2中Hf濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差相比厚度和數(shù)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差仍然較差。對(duì)于1nm的HfO2層，Hf峰的平臺(tái)并未清晰顯現(xiàn)，因此對(duì)于1nm以下的超薄膜的MEIS分析可靠性不夠。對(duì)于厚度約為1nm的超薄薄膜，建議用表面面密度而不是厚度或濃度來(lái)表示MEIS分析結(jié)果。Hf的數(shù)量(1×1015原子/cm2)ABCDEFGHIJGB/TXXXXX—XXXXKL注1：使用了Moliere勢(shì)能[6]和Chu散落[7]。A.4.5比較圖A.5為采用SRIM95電子阻止本領(lǐng)和新擬合的電子阻止本領(lǐng)對(duì)比分析所得7nmHfO2樣品的Hf而，厚度和Hf數(shù)量的一致性較差。無(wú)論分析儀類型如何，使用80領(lǐng)對(duì)于MEIS定量分析至關(guān)重要。SRIM95的電子阻止本領(lǐng)可以作為起點(diǎn)值，但如果IAEA主頁(yè)上有提供的數(shù)據(jù)不足，則可由每個(gè)用戶進(jìn)行測(cè)量，以便進(jìn)行更可靠a)使用SRIM95所得7nmHfO2樣品的濃度結(jié)果b）使用新擬合電子阻止本領(lǐng)所得7nmHfO2樣品的濃度結(jié)果c)使用SRIM95所得7nmHfO2樣品的厚度b）使用新擬合電子阻止本領(lǐng)所得7nmHfO2樣品的厚度GB/TXXXXX—XXXXd)使用SRIM95所得7nmHfO2樣品中Hf的數(shù)量b）使用新擬合電子阻止本領(lǐng)所得7nmHfO2樣品中HX——參與者Y1——Hf的濃度Y3——Hf的數(shù)量（1×1015原子/cm2）——100keV的He+——300keV到500keV的He+——80keV到100keV的He+-————-——平均A.4.6電子阻止本領(lǐng)的測(cè)量該報(bào)告包括新測(cè)量的62.3keVHe+和100keVHe+SiO2的電子阻止本領(lǐng)[9]。由于沒有SiO2中15keV至100keVHe+的數(shù)據(jù)，因此需要通過測(cè)量提高大約100keV范圍內(nèi)電子阻止本領(lǐng)的精度。將該值添加到IAEA中He+在SiO2上的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)中，得到新的擬合電子停止曲子阻止本領(lǐng)值。MEIS在測(cè)量能量為KE0處的譜高由式(A.2)給出。它受阻止功率、入射角、散射角ΔEch為能譜通道寬度，σ為散射截面，Ω為探測(cè)器的立體角。式(A.2)中有兩個(gè)未知值（S1和S2），β1和β2為出射角，Y1和Y2分別為公式(A.3)和(A.4)所示各實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，θ為KE0,α1,β1(A.3)KE0,α2,β2(A.4)GB/TXXXXX—XXXX式中：K——運(yùn)動(dòng)學(xué)因子；S1——入射路徑中E0的阻止本領(lǐng)；S2——出射路徑中KE0的阻止本領(lǐng)；1，α2——入射角β2——出射角C——元素的濃度Q——入射離子的數(shù)量；ΔECh——能譜的通道寬度；σ——散射橫截面；Ω——檢測(cè)器的立體角；θ——散射角。2——入射角2——出射角測(cè)控制，探測(cè)器效率則通過具有足夠電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)庫(kù)的銀來(lái)調(diào)整。探測(cè)器效率使用Ag校準(zhǔn)，A.5實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試結(jié)果摘要通過實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試，研究了標(biāo)稱厚度為1nm、3nm、5nm和7nm的HfO2樣品中Hf的在Moliere電勢(shì)[6]和Chu離散[7]的K-MAC下分析數(shù)據(jù)。對(duì)于磁扇區(qū)和靜電分析儀的數(shù)據(jù)分析，對(duì)100GB/TXXXXX—XXXX新擬合后的電子阻止本領(lǐng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，重新擬合后的電子阻止本領(lǐng)在Hf濃度、Hf數(shù)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)室間試驗(yàn)表明，使用正確的電子阻止本領(lǐng)對(duì)MEISGB/TXXXXX—XXXX（資料性）MEIS光譜模擬程序源代碼列表和使用PowerMeis進(jìn)行MEIS譜模擬的程序B.1使用自定義譜圖模擬程序的MEIS實(shí)驗(yàn)室列表B.2使用PowerMeis的MEIS譜模擬過程B.2.1可使用PowerMeis程序1)模擬MEIS譜。PowerMeis模擬時(shí)，需要輸入下述的幾個(gè)數(shù)據(jù)。算法中，交互次數(shù)為106，積分步長(zhǎng)為1?,體素尺寸為1?。對(duì)于積分法，一般選擇默認(rèn)MC。在計(jì)算時(shí)，對(duì)于線形、橫截面、能量阻止功率、能量分散等，一般選用指數(shù)修正高斯、Corrected、SRIM和Chu。對(duì)于電荷中和，100keV的H+和He+使用Marion方程，400keV到500keV的He+使用Armstrong方程。對(duì)超薄膜的分析，Casp電荷態(tài)分?jǐn)?shù)算法對(duì)He離子具有較好的可靠性；而對(duì)其他較重的離子，指數(shù)修正的高斯具有較好的可靠性。修正截面由Moliere勢(shì)計(jì)算。如果可以獲得IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)3)測(cè)量的電子阻止本領(lǐng)，建議盡量使用該數(shù)據(jù)以獲得更可靠的結(jié)果。為了使用IAEA表格中的電子阻止本領(lǐng)值，計(jì)算B.2.2中給出的校正因子，并輸入校正因子dE/dx比，用于樣品的結(jié)構(gòu)分析。如果IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)不足或缺失，可以通過適當(dāng)方法將新測(cè)量的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)添加到IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中，以提高計(jì)算所得電子阻止本領(lǐng)的準(zhǔn)確性。IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性見附錄C。在輸出時(shí)，MEIS分析采用簡(jiǎn)單的直方圖模式，能量通道寬度(dE)、角度通道寬度(dθ)、最小能量(Emin)和最大能量(Emax)分別為0.1keV、20°,適合當(dāng)前MEIS分析的最小能量值和最大能量值。能量通道寬度和角度通道寬度可以根據(jù)每次MEIS分析的能量分辨和角分辨進(jìn)行調(diào)整。對(duì)于束流，入射粒子一般是離子，但使用分子離子時(shí)也可選擇分子。粒子的xsr通常為1012，但可以調(diào)整以適應(yīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的MEIS譜。原子序數(shù)、原子質(zhì)量、束流能量、表面法向入射角均與特定的離子散射條件有關(guān)。對(duì)檢測(cè)器而言，檢測(cè)器類型在靜電型、飛行時(shí)間和磁型中選擇。對(duì)于靜電型和磁型檢測(cè)器，給出了每個(gè)MEIS分析后的能量分辨FWHM(δE)，散射角(θ)和角度寬度(Δθ)。對(duì)于TOF型檢測(cè)器，根據(jù)特定的TOFMEIS散射條件，另外給出了以m為單位的TOF長(zhǎng)度(L)、時(shí)間分辨率(δt)、面外角(α)和面外角度寬度(δα)。在使用大立體角檢測(cè)器的面外區(qū)域的TOFMEIS散射數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮面外角和角度寬度。能量分辨FWHM(δE)或時(shí)間分辨(δt)可以通過擬合清潔表面MEIS峰的前沿來(lái)測(cè)量。在圖中，譜型一般可以選擇1D。通過“上傳實(shí)驗(yàn)”按鈕上傳MEIS譜的強(qiáng)度與能量的文本文件。在給定了所有的模擬輸入?yún)?shù)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，試樣的結(jié)構(gòu)就建立起來(lái)了。首先，點(diǎn)擊“元素”，生成模擬中使用的元素列表。對(duì)于每個(gè)元素的線形參數(shù)，σ0(附加參數(shù))在首次近似中可以設(shè)為零。對(duì)于δE/E分辨約為8×10?4、入射粒子為質(zhì)子的MEIS系統(tǒng)，建議采用Casp5.2計(jì)算線形參數(shù)。用Casp5.2程序3計(jì)算GB/TXXXXX—XXXX每個(gè)入射粒子及其能量和目標(biāo)元素的線形參數(shù)σ0(附加參數(shù))。遵循Casp5.2中的說(shuō)明。將計(jì)算所得線形參數(shù)作為每個(gè)元素對(duì)應(yīng)的附加參數(shù)，用于樣品結(jié)構(gòu)的分析。然后點(diǎn)擊“化合物”，生成模擬中使用的化合物列表。給出密度以將數(shù)字密度轉(zhuǎn)換為深度標(biāo)尺。如果MEIS分析中使用的薄膜密度是已知的，則使用該數(shù)值。但是這個(gè)數(shù)值通常是未知的，所以僅能使用體積密度。對(duì)于非化學(xué)計(jì)量化合物或混合物，只需使用加和規(guī)則。根據(jù)加和規(guī)則，非化學(xué)計(jì)量化合物的密度ρ可通過公式（B.1）估算。P(Ax+δxBy+δy)={(x+δxmA+(y+δymB}/[{xm(A)+ym(B)}/ρAxBy(B.1）式中m是以u(píng)為單位的每個(gè)元素或化合物的質(zhì)量。對(duì)于A和B的混合物，A占x%和B占y%的混合物密度可以通過公式（B.2）估算。ρ(X%A+y%B)={xm(A+ymB)}/f+}(B.2)式中m是以u(píng)為單位的每個(gè)元素或化合物的質(zhì)量。使用體積密度值或由PowerMeis中的求和規(guī)則估算的密度可能會(huì)對(duì)MEIS分析獲得的深度產(chǎn)生誤差。對(duì)于散落校正因子，即dw2/dx比值，如果沒有校正因子，一般情況下使用1.0即可。點(diǎn)擊“層”構(gòu)建層狀薄膜結(jié)構(gòu)。給出每一層的厚度(單位為?)和化合物名稱。第一層是基底層，而不是表面層。如有必要，可引入表面污染層或超薄膜層之間的界面層以改善擬合結(jié)果。B.2.2電子阻止本領(lǐng)由SRIM代碼自動(dòng)計(jì)算，可用于非關(guān)鍵性MEIS分析，其不一致性大于10%。然而，來(lái)自SRIM的電子阻止本領(lǐng)在中等能量范圍內(nèi)可能有顯著的誤差。對(duì)于一致性低于10%的精確MEIS分析，建議使用IAEA3）中元素和化合物的測(cè)量和列表中的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)，如式(1)和(A.1)所示。如附錄C所述，估計(jì)IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中電子阻止本領(lǐng)值的準(zhǔn)確性低于8%。通過擬合一組電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)，可以得到IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中的電子阻止本領(lǐng)。擬合數(shù)據(jù)的方程如式(1)所示。根據(jù)IAEA數(shù)據(jù)，為方便用戶，計(jì)算并將可用的擬合參數(shù)A、B、C和D列在附錄D中。修正系數(shù)的確定考慮了SRIM的入射/出射束流路徑和電子阻止本領(lǐng)以及E0和KE0的新電子阻止本領(lǐng)。單元層的校正系數(shù)由式(A.1)求得。K為散射角的運(yùn)動(dòng)因子，α為入射角，β為出射角，E0為離子的初始能量。由式(A.1)得到的修正因子可用于化合物dE/dx比中的非彈性能量損失校正。dω2/dx比值為1.0，無(wú)散落校正。B.2.3輸入指定且恰當(dāng)?shù)臄?shù)值后，點(diǎn)擊“開始”。調(diào)整束流中入射粒子數(shù)量(粒子數(shù)×Sr)的參數(shù)，以使其與參考層的強(qiáng)度相適應(yīng)，例如當(dāng)使用內(nèi)部參考層（粒子×Sr）計(jì)算時(shí)，使測(cè)量得到的MEIS譜與模擬的MEIS譜相匹配。然后手動(dòng)迭代調(diào)整各層的厚度和組成，以獲得MEIS實(shí)測(cè)譜與模擬譜的最佳一致性?？梢允褂忙?計(jì)算幫助在適當(dāng)選擇的能量范圍內(nèi)找到最佳一致性。χ2計(jì)算中的能量范圍下限建議不低于基底表面峰的10keV。當(dāng)樣品中含有已知化學(xué)計(jì)量比的參考層時(shí)，可選擇參考層的高度，生成最小χ2的計(jì)算結(jié)果，確定入射粒子數(shù)。然后通過改變未知層峰位置的擬合能量范圍，計(jì)算并最小化χ2，確定未知層的組成和厚度。在沒有參考層的情況下，采用適當(dāng)擬合范圍的整體χ2計(jì)算可獲得MEIS實(shí)測(cè)譜與模擬光的最佳一致性。GB/TXXXXX—XXXX（資料性）IAEA電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)的可靠性C.1概述附錄A中的實(shí)驗(yàn)室間測(cè)試報(bào)告表明，使用正確的電子阻止本領(lǐng)對(duì)MEIS定量分析至關(guān)重要。建議將IAEA的核數(shù)據(jù)服務(wù)作為電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)的可靠來(lái)源。本文件討論了基于從IAEA核數(shù)據(jù)服務(wù)3)中獲取的中能范圍內(nèi)平均歸一化差異及其標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)評(píng)估IAEA電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)于特定范圍的入射粒子原子數(shù)Z1和靶原子序數(shù)Z2，對(duì)于一定范圍內(nèi)比能E/A1（其中Z1為入射粒子的原子序數(shù)，E為入射粒子的能量，A1為入射粒子的質(zhì)量數(shù)）的每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，歸一化差δ的計(jì)算公式為(C.1):δ=100×(sxp?sl/sxp)(C.1)此處，通過公式(C.2)獲得的SP為質(zhì)量阻止本領(lǐng)，ρ是密度。sp=s/p(C.2)S，-dE/dx是線性阻止本領(lǐng)，x為路徑長(zhǎng)度。在每一個(gè)特定能量范圍內(nèi)，平均歸一化差值Δ<δ>是確定的，其標(biāo)準(zhǔn)偏差σ通過式（C.3）計(jì)算。σ=δ2?(δ2(C.3)此處，<>表示未加權(quán)平均值，Sexp是從我們收集獲得的實(shí)驗(yàn)阻止本領(lǐng)，Stbl是從特定阻止本領(lǐng)表或程序中獲得的相應(yīng)值。一個(gè)小的|Δ|通常表示表格數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，而標(biāo)準(zhǔn)差σ與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相關(guān)。如果|Δ|很小且這種情況經(jīng)常發(fā)生，則可以將σ視為通過實(shí)驗(yàn)確定的表格準(zhǔn)確性的一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)。詳情請(qǐng)瀏覽主網(wǎng)。C.2元素中質(zhì)子和α的統(tǒng)計(jì)分析由于ZBL85和SRIM2003程序在MEIS分析模擬中應(yīng)用最為廣泛，因此本文件將在此介紹它們的結(jié)果。對(duì)于0.01MeV到0.1MeV的能量范圍，ZBL85和SRIM2003對(duì)于17種固體元素中H離子的平均歸一化差Δ±σ（以%表示）分別為-1.2±12和0.6±11。ZBL85和SRIM2003對(duì)于16種單質(zhì)固體中He離子的平均歸一化差Δ±σ（以%表示）分別為-2.6±5.7和-0.1±3.2。在0.1MeV到1MeV的能量范圍內(nèi)，ZBL85和SRIM2003對(duì)于17種固體元素中H離子的平均歸一化差Δ±σ（以%表示）分別為-3.0±7.8和-0.9±6.8。ZBL85和SRIM2003對(duì)于16個(gè)單質(zhì)固體中He離子的平均歸一化差Δ±σ（以%表示）分別為0.7±5.8和0.5±5.4。氫離子涉及的固體元素?cái)?shù)量為17種，氦離子涉及的固體元素?cái)?shù)量為16種。綜上所述，PowerMeis計(jì)算的單質(zhì)固體中H+和He+的電子阻止本領(lǐng)的可靠性分別小于12%和6%。C.3化合物中質(zhì)子和α的統(tǒng)計(jì)分析此處介紹了SRIM2003（CAB:使用中心原子鋇校正）程序?qū)s150種化合物的測(cè)定結(jié)果。在0.03MeV到0.3MeV的能量范圍內(nèi)，SRIM2003對(duì)于H+和He+的平均歸一化差Δ±σ（以%±7.5和0.9±6.7。在0.3MeV到3.0MeV的能量范圍內(nèi)，SRIM2003對(duì)于H+和He+的平均歸一化差Δ±σ（以%表示）分別為1.5±6.3和-0.8±4.1。綜上所述，PowerMeis計(jì)算的H+和He+對(duì)化合物的電子阻止本領(lǐng)的可靠性分別小于8%和7%。GB/TXXXXX—XXXX（資料性）據(jù)IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)擬合參數(shù)A、B、C和D為了方便用戶，韓國(guó)K-MAC公司的WonjaMin使用Origin擬合程序從IAEA數(shù)據(jù)庫(kù)中估算了擬合參數(shù)。在擬合中排除了極端異常值。ZABCDH1HH2H3H4H5BH6CH7NH8OH9FHNeHNaHHAlHHPHSHHArHKHHHHVHHHHHNiHHZnHHHAsHHHKrHH