Szilárd felületek kémiai összetételének vizsgálatára széles körben használt módszer az Auger-elektron-sperktroszkópia, amelynek főbb vonásait az alábbiakban tekintjük át.

6.2.4.1. Az Auger-elektron-spektroszkópia (AES) fizikai folyamata

Auger - folyamat során egy belső, például K-héjon lévő elektront valamely primer részecske (többnyire elektron) eltávolít az atomi kötelékből. Az így szabaddá váló energiaállapotot (lyukat) egy magasabb (például az L₂) nívó elektronja tölti be. A felszabaduló energiát valamely, ugyancsak magasabb nívón ( pl. az L₃) lévő elektron veszi át, és a felületet jól meghatározott, karakterisztikus energiával elhagyja. Ezt az elektront KL₂L₃ vagy - általánosabban - KLL Auger-elektronnak nevezzük. Itt jegyezzük meg, hogy a gyakorlat számára legfontosabb, nagy elektronhozammal rendelkező Auger-elektronok esetén az Auger-folyamatban résztvevő második és harmadik elektronhéj általában egybeesik, így az anyagok zöménél a KLL, LMM vagy MNN Auger-elektronok a leggyakoribbak. A kilépő elektron energiáját vizsgálva információt kaphatunk arról, milyen környezetben (felület összetétele, szerkezete, stb) zajlott le az Auger-folyasmat, azaz a kilépő elektron energiája hordozza a kívánt információt.

Az alábbi gondolatmenetet követve kvalitatíve érthetővé válik fenti állításunk (részletesebb analízis az irodalomban található).

Tekintsük pl. azt az esetet, amikor a kilökődés következtében a K-héjon lévő marad egy üres állapot. Ekkor az L-héjon tartózkodó elektron energiaállapotai a hidrogénszerű ionokban lévő L-elektronok energiaviszonyaihoz hasonlóak. A finomstruktúrát most figyelmen kívül hagyva különbséget jelent, hogy a mag effektív ⁺Ze töltésének (Z a rendszám, e az elemi töltés) tere, amelyben az L-héjból a K-héjba átmenő elektron van, a mag valódi töltésénél a mag töltését leárnyékoló elektron töltésével kisebb. (Természetesen pontosabb leírásnál figyelembe kell azt is venni, hogy energetikailag három különböző L-állapot lehetséges.)

A továbbiakban tekintsük át röviden, milyen tényezők határozzák meg az atomból emittálódó Auger-elektron energiáját.

Egy tetszőleges Auger-folyamatban, amelyben a W, X, és Y elektronhéjak szerepelnek, a keletkező Auger-elektron E_wxy(Z) energiája nemcsak a megfelelő elektronhéjak E_w, E_xés E_y ionizációs energiáitól, illetve az illető elem Z rendszámától függ. Ezt az energiaértéket több tényező is befolyásolja, melyek közül a három legfontosabb a következő:

Az E_w, E_x és E_y értékek általában az egyszeresen ionizált állapothoz tartozó ionizációs energiák, míg Auger-folyamatnál a végső állapot kétszeresen ionizált.

· A szilárdtestekből vákuumba kilépő elektron energiamérlegének meghatározásakor figyelembe kell venni az elektron kilépési munkáját (E_ki) is.

· Az Auger-elektronok energiáját a mátrix-környezet is befolyásolja, vagyis az, hogy milyen elemekkel, vegyületekkel és milyen módon kötött az elektront emittáló atom.

Az első két szempontot is figyelembe véve, az Auger-elektron energiája az alábbi fél-empirikus összefüggéssel adható meg:

                            (1)

ahol a d (árnyékolást figyelembe vevő) korrekciós tag értéke anyagi minőségtől függően 1/2 és 3/4 közé esik.

A harmadik perturbáló hatást, az ún.. kémiai eltolódást (chemical shift) nehéz mennyiségileg pontosan meghatározni, mivel nagyságát mindhárom energiaszint változása befolyásolja. Általában azt mondhatjuk, hogy egy WXY Auger-átmenetnél a kémiai eltolódás nagysága:

     (2)

ahol a W, X és Y az egyes W, X és Y elektronhéjak megfelelő energia eltolódásai, amelyeknek egymástól különböznek, és függnek a mátrix-környezettől. A helyzetet tovább bonyolítja, ha az Auger-átmenetben a valencia-sáv is részt vesz.

6.2.4.2 Az Auger-elektron spektrumának analízise

A fenti kvalitatív megfontolásokból következik, hogy a legnagyobb energiával rendelkező elektronok a kezdeti törzsállapotokról adnak felvilágosítást, és így a módszer az XPS spektrumokhoz hasonlóan kémiai összetétel vizsgálatára alkalmas. Mivel az egyes kémiai elemek több Auger-átmenethez adnak járulékot, a kémiai összetétel vizsgálatakor több átmenetet is figyelembe kell venni.

A 6.23.a ábrán látható spektrum szennyezett szilícium (111) felületén lévő néhány palládium monoréteg Auger-spektrumát mutatja 5 keV-es beeső nyaláb esetén. Az ábra, ahogy általában szokás, az Auger-elektronok differenciális energia eloszlását mutatja az energia függvényében. Így ugyanis kis koncentrációk meghatározása is lehetségessé válik, mivel gyenge effektusok is hangsúlyt kapnak. Az ábrán látható, hogy a palládium jele gyengébb a szilíciuménál, ez az egyes, különböző Auger-átmenetek mátrixelemeiből adódó járulékok elérő nagyságának köszönhető, amint az elméleti számításokkal is nyomon követhető. Szén, kadmium és oxigén Auger-átmenetek ezen szennyezések jelenlétére utalnak.

A vegyértékelektronok állapotsűrűségének változása is befolyásolja a kilépő Auger-elektronok energiaspektrumát, azaz a kémiai eltolódás markánssá válik. Azonban (fentebb már említettük) a három különböző, az átmenetben szereplő energiaszint eltolódását nehéz megjósolni, ill. elméletileg számolni. Kvalitatív információkat azonban mégis nyerhetünk az Auger-spektrumokból. Példaként tekintsük a 6.23.b ábrát, amelyen tiszta, ill. különböző mennyiségű palládiummal bevont szilíciumfelület LVV Auger-spektruma látható (LVV átmenet esetén a lyukállapot az L héjon van, és a folyamatban két valencia elektron vesz részt). A palládium-szilicid kialakulása megváltoztatja a szliícium-atom vegyértékállapotait, és ez az Auger-spektrum változására vezet. Az ábra jellegzetes változásai jól magyarázhatók a Pd₂Si vegyértéksáv állapotsűrűségének ismeretében.Kis Pd fedettség esetén olyan Auger-elektronok is megfigyelhetők, amelyek az ismert Pd-Si vegyületek egyikével sem hozhatók kapcsolatba. .Ez arra utal, hogy a Pd₂Si kialakulása során a Pd₂Si - Si határfelületen egy nem sztöchiometrikus Pd-Si ötvözet alakul ki. Az ilyen és ehhez hasonló információk igen hasznosak lehetnek a különböző rétegeket elválasztó határfelületek kialakulásának megértéséhez.

6.2.4.3 A berendezés vázlata

Napjainkban is (az egyébként tekintélyes múltra visszatekintő) eljárás a felületfizika legelterjedtebb spektroszkópiai módszere. A vizsgálat során az elektronnyalábbal keltett meglehetősen erős Auger-jelet általában nagy felbontású (0,5 - 1 eV) elektron-spektrométerekkel analizáljuk. A módszernek további komoly előnye, hogy a felület lokális összetételéről is ad információt, ugyanis annak következtében, hogy a primer elektron a törzxs állapotokkal hat kölcsön, a nyaláb jól fókuszált és pásztázható. (Általában egy nyalábot mintegy 100 mm-es átmérőjű foltra képezhetünk le.)

Ezt a pásztázási lehetőséget kihasználva alakították ki az ún. Scanning Auger Microprobe (SAM) berendezéseket. Ezek az AES berendezésektől csak annyiban térnek el, . hogy a primer elektronnyalábot pásztázva a vizsgálandó mintafelület topográfiai képét lehet megjeleníteni, másrészt - és ez a fő előnye - a pásztázás révén mód van arra, hogy egyes kiválasztott elemek felületi eloszlását feltérképezzük

A SAM berendezés a vizsgált minta felületének alapvetően két fajta képét tudja előállítani. Az első fajta képnél a vizsgálatok elején a felületnek a vizsgálatok szempontjából érdekesebb részeiről való előzetes tájékozódás céljából felvehető az ún.. mikrográf vagy mikrodiagram, amely egy elektronmikroszkópos képre hasonlít, és a felület optikai képét adja. Ezt a képet úgy kapjuk, hogy vagy a szekunder elektronáramot vagy az elnyelt target-áramot pontról-pontra regisztráljuk, majd megjelenítjük. Az első esetben a képet röviden szekunder elektron-képnek, a második esetben abszorbeált áram-képnek nevezzük.

A másik fajta képet, amely egy adott elem felületi eloszlását mutatja, Auger eloszlás-képnek nevezik. Ez úgy készül, hogy a kérdéses elem adott energiájú elektronjaitól származó Auger-jeleket folyamatosan regisztráljuk, miközben a minta felületét folyamatosan pásztázzuk a primer elektronnyalábbal.

Lehetőség van az elemek mélység szerinti eloszlásának nyomon követésére is, mégpedig oly módon, hogy primer ionágyúval bombázzuk a minta felületét, amelyről folyamatosan porlódnak le az atomrétegek. Eközben a kiválasztott elemek Auger- elektronjait regisztrálva felvehető ezen elemek mélységi eloszlás görbéje.

Egy lehetséges SAM berendezés felépítését ismertetjük a 6.24. ábrán .A vizsgálandó minta felületének gerjesztését fókuszált, mozgatható elektronnyalábbal végezzük, míg mintatisztítás, illetve mélységi elemeloszlás vizsgálatait ionágyús egítségével végezhetjük.

Az elektronágyú tartalmazza a volfrám szálas elektronforrást, a gyorsító, a fókuszáló és az eltérítő elektródákat. Az elektronágyút szabályozó egység gondoskodik a fókuszáláshoz és gyorsításhoz szükséges feszültségekről és a katód fűtéséről. A pásztázást szabályozó egység biztosítja a fókuszált elektron-nyaláb eltérítését, valamint a TV, illetve megjelenítő egység eltérítéssel szinkronizált feszültségét.

A mintából emittált Auger-elektronok energia szerinti szétválasztását az elektronágyú köré elhelyezett CMA (hengeres tüköranalizátor) típusú energia analizátor végzi. Az ilyen fajta energia analizátor a vizsgálni kívánt E energia DE környezetébe eső energiájú elektronokat engedi át. A E/DE mennyiség az analizátor energiafelbontása. Az energia analizátor szabályozó egysége meghatározta feszültség biztosítja, hogy csak adott energiájú elektronok képesek a hengeres analizátor terét a szaggatott vonallal jelölt pályán befutni.

A feszültség változtatásával tehát az elektronok energiaspektruma vehető fel. Az energiájuk szerint megszűrt elektronok az elektronsokszorozóba kerülnek, majd jelerősítés után az Auger-spektroszkóp elektronikája dolgozza fel a továbbított elektromos jeleket differenciális üzemmódban. Az így előállított differenciális energiaspektrum már megjeleníthető.

                  TOVÁBB                       VISSZA  A TARTALOMJEGYZÉKHEZ